逐元暗电流抑制的CMOS红外探测器读出电路研究
发布时间：2022-08-16 08:34
红外探测成像技术具有抗干扰能力强、侦测半径长以及可全天候工作等优点,在军事、民用和科学等领域有广泛应用。在航天应用场景中,中长波红外探测器经常面临较高的宇宙背景辐射。主流应用的碲镉汞红外探测器本身暗电流较大,并且各像元的暗电流具有较大的非均匀性。这时,采用常规读出电路方案时其输出信号动态范围过小,甚至部分像元信号电压无法读出,这大大降低了系统的动态范围。针对性这个问题,本文设计了逐元暗电流抑制的读出电路。综合考虑了各种读出电路的输入级结构,采用CTIA型放大器,来获得稳定的探测器两端偏压。设计并采用了电流镜和电流存储单元相结合的技术,由电流镜进行完整背景整体抑制,由电流存储单元完成逐元暗电流抑制。同时采用低功耗的相关双采样结构来降低电路功耗,使得该结构便于应用于焦平面阵列。电路采用CSMC0.5um Double Poly Triple Metal Mixed Signal工艺完成电路流片。电路仿真结果表明,暗电流抑制结构可以大大增加电路积分时间。同时,该读出结构的暗电流非均匀性抑制比可达-22.7d B,输出信号摆幅抑制达-17d B,读出信号线性度达97.6%,最小测量对比度小于-...
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
致谢
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
1.1 引言
1.2 碲镉汞红外探测器发展及挑战
1.3 国内外暗电流非均匀性问题的研究状况
1.3.1 自归零法
1.3.2 电流复制单元法
1.4 本论文的研究意义和主要内容
第二章 红外探测器读出电路设计分析
2.1 探测器材料结构以及与读出电路耦合方式
2.2 红外探测器成像系统要求
2.2.1 探测器偏置电压
2.2.2 注入效率和带宽
2.2.3 电荷存储容量
2.2.4 噪声
2.2.5 动态范围
2.2.6 读出速率
2.2.7 积分时间
2.2.8 阵列尺寸与间距
2.2.9 功耗
2.2.10 工作温度
2.3 读出电路的工作原理
2.4 读出电路的输入级结构
2.4.1 源随器型（Source-Follower Per Detector）
2.4.2 直接注入型（Direct Injection）
2.4.3 栅极调制输入型(Gate-Modulation Input)
2.4.4 缓冲直接注入型(Buffered Direct Injection)
2.4.5 电容跨阻抗放大器型(Capacitive Transimpedance Amplifier)
2.4.6 缓冲共享直接注入型(Share-Buffered Direct Injection)
2.5 读出电路后端结构
2.5.1 采样保持电路
2.5.2 输出级电路
2.5.3 移位寄存器
2.6 小结
第三章 列读出电路的前端设计
3.1 整体电路结构框架
3.2 积分读出电路设计
3.3 电流镜结构设计
3.4 电流存储单元结构设计
3.4.1 电流存储单元概念
3.4.2 本文采用的电流存储单元结构
3.5 采样保持电路设计
3.5.1 相关双采样电路（CDS）
3.5.2 移位寄存器
3.6 电路工作过程及时序
3.7 电路仿真结果
3.7.1 积分电压仿真
3.7.2 相关双采样控制逻辑
3.7.3 功能性仿真
3.7.4 读出信号线性度
3.7.5 最小测量对比度
3.7.6 存储电流保持时间和精度
3.7.7 噪声仿真分析
3.8 小结
第四章 线列读出电路的后端设计
4.1 单元电路版图设计
4.1.1 移位寄存器
4.2 可靠性/安全性设计与分析
4.2.1 抗闩锁设计
4.2.2 防静电放电设计
4.2.3 抗辐射能力设计
4.3 版图验证
4.4 小结
第五章 电路测试及结果分析
5.1 测试说明
5.1.1 器件接口
5.1.2 测试平台搭建
5.2 77K低温杜瓦封装电路测试
5.3 响应不均匀性
5.4 噪声测试
5.5 功耗测试
5.6 小结
第六章 总结与展望
参考文献
作者简介及在学期间发表的学术论文与研究成果
【参考文献】：
期刊论文
[1]碲镉汞红外探测器的前沿技术综述[J]. 叶振华,陈奕宇,张鹏. 红外. 2014(02)
[2]基于输入失调补偿的暗电流抑制读出电路研究[J]. 黄松垒,张伟,黄张成,方家熊. 半导体光电. 2011(03)
[3]一种新型低噪声高均匀性红外焦平面读出电路[J]. 吕坚,周云,张东路,蒋亚东. 微电子学. 2010(02)
[4]一种红外CMOS读出电路相关双采样结构[J]. 曾强,吕坚,蒋亚东. 微处理机. 2009(06)
[5]红外探测器背景抑制读出结构设计研究[J]. 赵晨,丁瑞军. 激光与红外. 2007(S1)
[6]一种红外探测器专用77K工作CMOS前置放大器[J]. 袁红辉,袁剑辉,王京辉. 半导体学报. 2005(04)
本文编号：3677543
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
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致谢
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
1.1 引言
1.2 碲镉汞红外探测器发展及挑战
1.3 国内外暗电流非均匀性问题的研究状况
1.3.1 自归零法
1.3.2 电流复制单元法
1.4 本论文的研究意义和主要内容
第二章 红外探测器读出电路设计分析
2.1 探测器材料结构以及与读出电路耦合方式
2.2 红外探测器成像系统要求
2.2.1 探测器偏置电压
2.2.2 注入效率和带宽
2.2.3 电荷存储容量
2.2.4 噪声
2.2.5 动态范围
2.2.6 读出速率
2.2.7 积分时间
2.2.8 阵列尺寸与间距
2.2.9 功耗
2.2.10 工作温度
2.3 读出电路的工作原理
2.4 读出电路的输入级结构
2.4.1 源随器型（Source-Follower Per Detector）
2.4.2 直接注入型（Direct Injection）
2.4.3 栅极调制输入型(Gate-Modulation Input)
2.4.4 缓冲直接注入型(Buffered Direct Injection)
2.4.5 电容跨阻抗放大器型(Capacitive Transimpedance Amplifier)
2.4.6 缓冲共享直接注入型(Share-Buffered Direct Injection)
2.5 读出电路后端结构
2.5.1 采样保持电路
2.5.2 输出级电路
2.5.3 移位寄存器
2.6 小结
第三章 列读出电路的前端设计
3.1 整体电路结构框架
3.2 积分读出电路设计
3.3 电流镜结构设计
3.4 电流存储单元结构设计
3.4.1 电流存储单元概念
3.4.2 本文采用的电流存储单元结构
3.5 采样保持电路设计
3.5.1 相关双采样电路（CDS）
3.5.2 移位寄存器
3.6 电路工作过程及时序
3.7 电路仿真结果
3.7.1 积分电压仿真
3.7.2 相关双采样控制逻辑
3.7.3 功能性仿真
3.7.4 读出信号线性度
3.7.5 最小测量对比度
3.7.6 存储电流保持时间和精度
3.7.7 噪声仿真分析
3.8 小结
第四章 线列读出电路的后端设计
4.1 单元电路版图设计
4.1.1 移位寄存器
4.2 可靠性/安全性设计与分析
4.2.1 抗闩锁设计
4.2.2 防静电放电设计
4.2.3 抗辐射能力设计
4.3 版图验证
4.4 小结
第五章 电路测试及结果分析
5.1 测试说明
5.1.1 器件接口
5.1.2 测试平台搭建
5.2 77K低温杜瓦封装电路测试
5.3 响应不均匀性
5.4 噪声测试
5.5 功耗测试
5.6 小结
第六章 总结与展望
参考文献
作者简介及在学期间发表的学术论文与研究成果
【参考文献】：
期刊论文
[1]碲镉汞红外探测器的前沿技术综述[J]. 叶振华,陈奕宇,张鹏. 红外. 2014(02)
[2]基于输入失调补偿的暗电流抑制读出电路研究[J]. 黄松垒,张伟,黄张成,方家熊. 半导体光电. 2011(03)
[3]一种新型低噪声高均匀性红外焦平面读出电路[J]. 吕坚,周云,张东路,蒋亚东. 微电子学. 2010(02)
[4]一种红外CMOS读出电路相关双采样结构[J]. 曾强,吕坚,蒋亚东. 微处理机. 2009(06)
[5]红外探测器背景抑制读出结构设计研究[J]. 赵晨,丁瑞军. 激光与红外. 2007(S1)
[6]一种红外探测器专用77K工作CMOS前置放大器[J]. 袁红辉,袁剑辉,王京辉. 半导体学报. 2005(04)
本文编号：3677543
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