高线性度低功耗红外焦平面阵列读出电路的研究

发布时间：2017-09-04 13:23

  本文关键词：高线性度低功耗红外焦平面阵列读出电路的研究

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【摘要】：红外成像技术在军事,商业,工业等领域有着广泛的应用市场。红外焦平面阵列读出电路是红外成像技术的核心部分,它的性能在红外成像系统中起着关键性的作用。本文主要的工作内容为两点,一是研究高线性度低功耗的红外读出单元电路;二是完成32x32阵列读出电路系统设计,实现了数据的高准确读出。首先,对红外读出单元电路的三个部分分别进行改进,包括像素单元,列读出级电路,输出缓冲单元。针对像素单元,本文设计了一种新型结构,在原有单端CTIA结构的基础上,引入共源共栅和增益自举结构,提高积分电路输出信号的线性度。同时,将行选开关连接在采样电容的左端,并通过适当的时序,完全消除采样开关引入的非线性影响。在输入积分光电流为2nA到60nA的范围内,像素单元输出电压的线性度为99.65%,单个像素单元的功耗为438.58nW。针对列读出级电路,根据红外图像对比度较低这一特点,设计了一种新型从运放结构,该结构在传统主从结构的基础上,引进电压检测电路,显著的降低从运放的工作电流。仿真结果表明,改进结构的从运放最小功耗比传统结构的从运放降低了43%,整体改进列读出级结构输出信号的线性度为99.3%。针对输出缓冲单元,采用两级CMOS结构,输入级使用NMOS管和PMOS管并联的互补折叠式共源栅结构,满足大摆幅,高增益的输入,输出级使用AB类共源推挽输出结构,满足大摆幅,高线性度的输出。模拟结果表明,该输出缓冲器线性度为99.53%,总功耗为15.93mW。然后,完成32x32阵列读出电路系统设计,包括模拟部分、数字部分以及整体电路设计。模拟部分采用全定制方法,完成原理图及版图设计;数字部分采用半定制方法,根据功能要求,完成RTL代码编写,功能仿真,逻辑综合,时序分析,形式验证,布局布线等。整体电路设计完成模拟部分和数字部分的整合并进行功能仿真,结果表明,读出电路最后输出信号线性度为99.43%。本论文采用CSMC 0.5μm混合信号工艺,完成整体数模混合版图的DRC,LVS验证。
【关键词】：红外读出电路 非线性 低功耗 系统架构
【学位授予单位】：南京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN21
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 第一章 绪论8-13
• 1.1 引言8
• 1.2 红外探测器技术的发展8-10
• 1.3 高线性度低功耗读出电路的研究意义和设计指标10-11
• 1.4 高线性度低功耗读出电路的发展状况11-12
• 1.5 论文组织结构12-13
• 第二章 高线性度低功耗像素单元的研究与设计13-24
• 2.1 像素单元的线性度和功耗分析13-15
• 2.2 传统单端CTIA型像素单元的设计与仿真15-18
• 2.3 高线性度低功耗像素单元的设计18-23
• 2.4 本章小结23-24
• 第三章 高线性度低功耗列读出级电路的研究与设计24-42
• 3.1 列读出级结构的线性度和功耗分析24-25
• 3.2 传统主从列读出级结构的设计与仿真25-33
• 3.2.1 主运放结构26-29
• 3.2.2 从运放结构29-33
• 3.3 高线性度低功耗的列读出电路的设计与仿真33-41
• 3.3.1 电压检测电路34-36
• 3.3.2 新型从运放结构36-41
• 3.4 本章小结41-42
• 第四章 红外读出电路数字控制模块的设计42-55
• 4.1 数字控制模块的系统设计42-44
• 4.2 数字控制模块的设计与仿真44-49
• 4.2.1 采样信号的设计与仿真45
• 4.2.2 列复位信号的设计与仿真45-46
• 4.2.3 行选信号的设计与仿真46-47
• 4.2.4 列选信号的设计与仿真47-48
• 4.2.5 列控制信号的设计与仿真48-49
• 4.3 逻辑综合49-51
• 4.4 静态时序分析和形式验证51-54
• 4.5 本章小结54-55
• 第五章 整体电路的设计与版图绘制55-70
• 5.1 输出缓冲单元的设计与仿真55-61
• 5.1.1 输出缓冲单元的结构55-58
• 5.1.2 输出缓冲单元的仿真分析58-61
• 5.2 整体电路的仿真及非线性和功耗分析61-63
• 5.3 数模混合整体电路的版图实现63-69
• 5.3.1 模拟部分版图绘制63-66
• 5.3.2 数字部分版图实现66-69
• 5.4 本章小结69-70
• 第六章 总结与展望70-72
• 参考文献72-75
• 附录1 攻读硕士学位期间撰写的论文75-76
• 附录2 攻读硕士学位期间申请的专利76-77
• 致谢77

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本文编号：791784