具有背景电流自补偿功能的红外读出电路研究

发布时间：2018-12-06 21:55

【摘要】：非制冷红外成像技术具有很好的应用前景,在国民经济的各个领域都具有广泛的应用,是当代红外技术领域的研究前沿,正主导着下一代红外和相关科学技术的发展,在国际上已被列为信息科学技术的关键领域,成为了各国研究的热点之一。同时由于非制冷红外成像技术在军事上有着重要的应用,西方国家也对我国进行核心技术封锁。读出电路是影响和提高焦平面探测器性能的重要部分,其和敏感材料制备技术、焦平面阵列制造技术一起成为非制冷红外成像的核心技术。因此,针对读出电路开展研究具有重要的理论和现实意义。本课题致力于研究新型红外敏感材料焦平面阵列读出电路技术。在研究传统读出电路结构基础上,设计出适合于采用新型红外敏感材料的焦平面阵列读出电路结构。本文首次提出了背景电流自补偿的思想和实现方法,为新型红外敏感材料焦平面阵列读出电路设计提供了解决思路。本文首先对硅锗硅多量子阱焦平面阵列特性展开研究,分析了硅锗硅多量子阱材料的特点,研究了硅锗硅多量子阱材料的电学测试方法,利用自研的材料测试系统对硅锗硅多量子阱材料进行了测试。同时还研究了微测辐射热计的热电机制以及热导、热容等热学参数的测试方法,利用自研的阵列参数测试系统对硅锗硅多量子阱焦平面阵列进行了测试。这些工作为读出电路的设计提供了实验数据和研究基础。其次,研究了影响读出电路性能的关键结构,设计了一种新型的读出电路结构。该读出电路结构具备背景电流补偿接口,具有低噪声和高偏置稳定性的特点。此外,还研究了采样保持电路,并设计了单电容相关双采样电路、偏置电路、积分运算放大器、积分单元电路等,得到积分线性度99%,注入效率99%,偏置误差0.0001%,积分器输出摆幅4.98V,带内的均方根噪声为0.25mV的仿真结果。仿真结果表明本文设计的单元读出电路具有线性度高、注入效率高、偏置电压稳定、摆幅大和噪声水平低的特点。第三,在研究传统的背景电流补偿方法基础上,提出了一种新型的背景电流自补偿电路。该电路工作于闭环状态,可自适应的针对不同大小的背景电流进行抑制,可以兼容多种材料的微测辐射热计焦平面阵列。研究了背景电流自补偿模块的设计方法,分析了构建模块的相关电路,并进行仿真分析,仿真结果表明背景电流自补偿电路和各子模块满足设计要求。利用AMS 0.35μm CMOS数字工艺库进行电路设计,综合后的数字电路的总体功耗为0.7611mW,核心模块功耗为0.6544mW,芯片面积共44139Mm2,其中CELL总数是277个,占用面积为37200μm2。第四,研究了电流源补偿电路,指出了温度和工艺误差对电流源补偿电路的影响,设计了输出可控、高精度、低温度系数和高工艺容差性的电流源补偿电路,可满足无TEC微测辐射热计的应用要求。对该电路进行仿真分析,得到电流源输出线性区为电流416nA～2.736 μA,在0°C～80℃范围内最大温度系数为267ppm/℃,当阈值电压偏差范围为-742.5 mV到-598 mV时,电流源输出偏差最大为0.43%,仿真结果表明,电流源补偿电路具有低温度系数和高工艺容差性的特点。最后,对本文设计的读出电路芯片开展了裸片测试和整机测试工作,其中,裸片测试包括:背景电流自补偿功能测试,电流源补偿电路线性度和温度系数测试,读出电路功能测试、线性度测试、噪声测试和动态范围测试。整机测试包括:电压响应率测试、相对光谱响应率测试、像元噪声测试和噪声等效温差测试。测试结果为:电流源输出线性区范围是338 nA～2.553 μA,输出电流误差2.59%,温度波动误差3.02%,温度系数378ppm/℃,由补偿电流源引起的最大非均匀性噪声0.18 V。在5V电源电压下,读出电路的输出线性度99%,输出线性范围为0.503V～4.402V,输出端最大RMS噪声为0.178mV,动态范围是86.6dB。整机测试的结果为:像元平均电压响应率9.1 ×105V/W,相对光谱响应范围是8～14μm,平均RMS噪声为0.189mV,平均噪声等效温差为97mK。实验结果表明,本文设计的读出电路首次实现了背景电流自补偿功能,且性能良好。该电路为大规模阵列读出电路的实现和工艺电路封装的一体化研究奠定了良好的基础。
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【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN21

【引证文献】