集成模数转换器的红外焦平面读出电路研究

发布时间：2017-03-22 02:12

  本文关键词：集成模数转换器的红外焦平面读出电路研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着红外焦平面技术的日益更新,更大的阵列、更低的功耗以及更快的速度成为发展的主要方向。而实现上述焦平面技术发展要求的一个主要技术,就是实现片上集成模数转换功能。将模数转换器(ADC)集成到红外焦平面读出电路内,可以避免芯片间模拟信号的传输,可以降低噪声;同时片上集成ADC可以简化系统设计以及提高系统的传输速度。在红外焦平面读出电路中集成模数转换电路具有很强的应用背景和理论价值,是数字红外焦平面器件的一个重要发展方向。本文分析讨论了在红外焦平面读出电路上集成模数转换器(ADC)的原理以及实现方法。通过比较各种类型模数转换器的性能指标、电路结构以及实现方法和原理,选取了逐次逼近寄存器型模数转换器作为红外焦平面读出电路片上集成模数转换的结构。设计了一种12bit逐次逼近寄存器(SAR)ADC,本ADC基于30um中心距设计,适用于面阵焦平面行(列)级结构的ADC读出电路。在Cadence和Synopsys设计平台下对模拟和数字部分电路分别进行设计、仿真与版图设计。电路工艺采用GLOBALFOUNDRIES公司0.35um CMOS 3.3V工艺加工流片。芯片实际低温测试结果显示SAR ADC有效位数约为9bit,转换频率超过150K Samples/s,功耗低于300u W。根据测试结果,对电路发现的问题进行了分析,提出了解决的方案,为以后的研究工作提供了有效的参考,为发展数字化512*512焦平面读出电路提供技术基础。
【关键词】：红外焦平面读出电路 模数转换 逐次逼近寄存器
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(上海技术物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN216;TN792
【目录】：

• 致谢4-5
• 中文摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第一章 绪论10-18
• 1.1 引言10
• 1.2 红外探测技术概述10-12
• 1.2.1 红外探测技术的原理与应用10-11
• 1.2.2 红外探测器的发展现状11-12
• 1.3 读出集成电路的发展现状12-15
• 1.3.1 读出电路的结构12-13
• 1.3.2 读出电路发展现状和趋势13-14
• 1.3.3 集成ADC功能的红外读出电路发展现状14-15
• 1.4 本课题研究的目的和意义15-16
• 1.5 论文的内容与结构16-18
• 第二章 读出电路集成ADC设计方案分析18-29
• 2.1 红外读出电路片上ADC的几种结构形式18-21
• 2.1.1 读出电路芯片级ADC设计18-19
• 2.1.2 读出电路行（列）级ADC设计19-20
• 2.1.3 红外焦平面像素级ADC设计20-21
• 2.2 几种常用ADC原理概述21-27
• 2.2.1 串行模数转换器22-24
• 2.2.2 逐次逼近ADC24
• 2.2.3 迭代运算ADC24-26
• 2.2.4 快闪ADC26-27
• 2.2.5 Sigma Delta过懫样型ADC27
• 2.3 本课题的设计要求和实现方式27-29
• 第三章 SAR ADC电路设计与仿真29-52
• 3.1 SAR结构ADC原理29-30
• 3.2 SAR结构ADC设计30-51
• 3.2.1 DAC的选择、设计与仿真30-36
• 3.2.2 比较器设计与仿真36-44
• 3.2.3 数字控制电路设计44-48
• 3.2.4 ADC的仿真48-51
• 3.3 本章小结51-52
• 第四章 版图设计与后仿真52-64
• 4.1 版图设计概述52-54
• 4.1.1 电源线的规划52-53
• 4.1.2 布局布线53
• 4.1.3 ESD保护53-54
• 4.1.4 天线效应54
• 4.2 ADC版图设计54-60
• 4.2.1 SAR ADC模拟部分版图设计54-56
• 4.2.2 ADC数字控制部分版图设计56-59
• 4.2.3 ADC的版图设计59-60
• 4.3 寄生参数提取与版图后仿60-62
• 4.4 本章小结62-64
• 第五章 电路测试与结果分析64-84
• 5.1 ADC测试方法64-68
• 5.1.1 ADC各项性能参数64-65
• 5.1.2 ADC静态参数测试方法65-67
• 5.1.3 ADC动态参数测试方法67-68
• 5.2 常温下ADC性能测试68-77
• 5.2.1 待测芯片的结构说明68-70
• 5.2.2 测试平台以及测试方法70-72
• 5.2.3 测试结果与分析72-77
• 5.3 低温下ADC性能测试77-81
• 5.4 ADC芯片测试结果分析81-83
• 5.5 本章小结83-84
• 第六章 电路设计方案改进与扩展84-103
• 6.1 电路设计中存在的问题与难点84-85
• 6.2 电路结构的改进方法85-87
• 6.3 红外焦平面读出电路扩展87-102
• 6.3.1 读出电路设计考虑88-92
• 6.3.2 单元电路设计92-100
• 6.3.3 读出电路集成SAR ADC的设计仿真100-102
• 6.4 本章总结102-103
• 第七章 总结与展望103-105
• 7.1 工作总结103-104
• 7.2 未来展望104-105
• 参考文献105-110
• 附录 1：数字控制电路Astro生成版图网表110-113
• 附录 2：SAR ADC后仿结果113-115
• 作者简介及在学期间发表的学术论文与研究成果115

【参考文献】

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本文编号：260698