高灵敏度红外焦平面大动态范围读出电路研究
发布时间：2021-05-28 07:37
mK级温度探测能力是高灵敏度红外焦平面的发展的重要方向,实现此目标的基础是红外焦平面读出电路具有超大的电荷容量和高动态范围。随着焦平面面阵规模不断扩大和中心距不断缩小,以及有限的CMOS工艺单位面积电容率和输出电压幅度等情况下,对具有大电荷容量和高动态范围的读出电路设计带来了难度和挑战。本文针对实现红外焦平面高灵敏度探测所需要的读出电路的电荷容量和动态范围参数做了详细的分析,通过文献调研对比,对电荷包计数型ADC结构、线性-对数结构、传统结构读出电路三种方式实现大电荷容量和高动态范围的目标展开研究。电荷包计数型ADC结构读出电路是基于电流-脉冲调制方式,每个脉冲是一个电荷包,在设定的积分时通过计数器得到电荷包的个数即可以得到有效的信号。本文基于CSMC 0.18μm 1P6M工艺,设计完成了像元规模为512×32、中心距30μm×30μm的电荷包计数型ADC读出电路,最大电荷容量为2.4 Ge-～8.9 Ge-之间可调。单元电路设计需要在有限的面积内平衡性能与晶体管资源等,通过对比设计,单元电路中采用了DI注入级的结构、工作电流可调的较低延迟...
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院上海技术物理研究所)上海市
【文章页数】：154 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 红外探测成像技术及其应用
1.2 红外焦平面阵列简述
1.3 高灵敏度红外焦平面读出电路的发展与现状
1.3.1 电荷包计数型ADC读出电路现状
1.3.2 线性-对数结构读出电路进展
1.4 本论文课题的目的和意义
1.5 本论文课题的创新点
1.6 本论文的结构安排
第2章 读出电路设计基础与分析
2.1 MOSFET器件基础
2.1.1 MOSFET工作原理
2.1.2 MOSFET的二级效应
2.2 读出电路结构和性能指标
2.2.1 读出电路的注入级结构
2.2.2 读出电路的性能指标
2.3 读出电路的噪声分析
2.3.1 MOS和无源器件噪声
2.3.2 电路工作噪声
2.3.3 噪声等效温差分析
2.4 读出电路设计流程和工具
2.5 本章小结
第3章 512×32数字化读出电路设计研究
3.1 电荷包计数型ADC读出电路工作原理与分析
3.2 512×32电荷包计数型ADC读出电路的整体架构
3.3 单元电路设计
3.3.1 注入级结构的设计
3.3.2 比较器设计
3.3.3 计数器设计
3.3.4 锁存器设计
3.3.5 单元电路仿真及版图设计
3.4 16bit并行转串行电路
3.5 行、列移位寄存器设计
3.6 LVDS设计
3.6.1 前级缓冲器电路
3.6.2 偏置电路设计
3.6.3 LVDS驱动电路
3.7 512×32电荷包计数型ADC读出电路仿真及版图
3.7.1 512×32读出电路仿真
3.7.2 512×32读出电路的版图、ESD设计及后仿真
3.8 测试模块
3.9 读出电路的测试分析
3.9.1 TEST读出电路的测试
3.9.2 耦合长波红外探测器的焦平面验证测试
3.10 本章小结
第4章 线性-对数结构读出电路设计研究
4.1 线性-对数结构读出电路的原理和结构
4.2 线性-对数结构读出电路的整体框架
4.3 模拟链路的设计与仿真结果
4.3.1 单元电路的设计与仿真
4.3.2 输出缓冲器的设计与仿真
4.3.3 模拟链路的仿真结果
4.4 数字控制模块
4.5 16元电路整体仿真及版图设计
4.6 线性-对数结构读出电路的测试分析
4.6.1 电流源输入测试
4.6.2 HgCdTe探测器输入测试
4.7 本章小结
第5章 干涉式大气垂直探测器读出电路研究
5.1 干涉式大气垂直探测器工作模式
5.2 读出电路的整体及模拟链路结构
5.3 相关双采样结构的噪声分析
5.4 模拟链路的设计与仿真
5.5 128通道读出电路整体仿真及版图设计
5.6 测试分析
5.6.1 读出电路的测试
5.6.2 焦平面测试
5.7 本章小结
第6章 总结和展望
6.1 总结
6.2 展望
参考文献
致谢
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]2018年国外空空导弹发展动态研究[J]. 任淼,文琳,李双. 航空兵器. 2019(03)
[2]红外导引头关键技术国内外研究现状综述[J]. 马晓平,赵良玉. 航空兵器. 2018(03)
[3]像素级数字长波制冷红外焦平面探测器研究进展[J]. 白丕绩,姚立斌,陈楠,毛文彪,韩庆林,周连军,姬玉龙. 红外技术. 2018(04)
[4]红外制导技术在空空导弹中的应用分析[J]. 吕洁,罗勇,卿松,叶建斌,周新宇,周雪琴. 兵器装备工程学报. 2017(12)
[5]GaN基紫外探测器读出电路注入效率[J]. 马丁,刘福浩,李向阳,张燕. 红外与激光工程. 2017(11)
[6]基于分时共享方案的640×512红外读出电路设计[J]. 梁清华,蒋大钊,陈洪雷,丁瑞军. 红外与激光工程. 2017(10)
[7]风云四号气象卫星及其应用展望[J]. 董瑶海. 上海航天. 2016(02)
[8]红外焦平面读出电路集成数字输出[J]. 高磊,翟永成,梁清华,蒋大钊,丁瑞军. 红外与激光工程. 2015(06)
[9]第三代红外焦平面探测器读出电路[J]. 白丕绩,姚立斌. 红外技术. 2015(02)
[10]红外读出电路噪声优化分析[J]. 王霄,史泽林. 半导体光电. 2013(06)
博士论文
[1]红外傅立叶光谱仪信息处理技术研究[D]. 张磊.中国科学院大学(中国科学院上海技术物理研究所) 2017
[2]320×256大动态范围长波红外读出电路结构设计[D]. 翟永成.中国科学院大学(中国科学院上海技术物理研究所) 2017
[3]640×512红外焦平面读出电路的设计研究[D]. 梁清华.中国科学院大学(中国科学院上海技术物理研究所) 2017
[4]具有背景电流自补偿功能的红外读出电路研究[D]. 周同.南京理工大学 2016
[5]320×256中/长波双色红外信号读出电路设计[D]. 周杰.中国科学院研究生院(上海技术物理研究所) 2015
[6]集成模数转换器的红外焦平面读出电路研究[D]. 高磊.中国科学院研究生院(上海技术物理研究所) 2015
[7]高帧频短波红外焦平面读出电路及实时红外图像处理SoC研究[D]. 王攀.中国科学院研究生院（上海技术物理研究所） 2014
[8]甚长波红外探测器信号读出电路结构研究[D]. 郝立超.中国科学院研究生院（上海技术物理研究所） 2014
[9]基于红外成像系统的低温读出电路设计技术研究[D]. 赵宏亮.天津大学 2012
[10]红外焦平面阵列读出信号处理电路设计关键技术研究[D]. 李辛毅.天津大学 2010
硕士论文
[1]应用于阵列式时间数字转换器的D触发器设计[D]. 许其罗.东南大学 2016
[2]高速LVDS收发器的研究与设计[D]. 谢詹奇.上海交通大学 2008
本文编号：3207853
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院上海技术物理研究所)上海市
【文章页数】：154 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 红外探测成像技术及其应用
1.2 红外焦平面阵列简述
1.3 高灵敏度红外焦平面读出电路的发展与现状
1.3.1 电荷包计数型ADC读出电路现状
1.3.2 线性-对数结构读出电路进展
1.4 本论文课题的目的和意义
1.5 本论文课题的创新点
1.6 本论文的结构安排
第2章 读出电路设计基础与分析
2.1 MOSFET器件基础
2.1.1 MOSFET工作原理
2.1.2 MOSFET的二级效应
2.2 读出电路结构和性能指标
2.2.1 读出电路的注入级结构
2.2.2 读出电路的性能指标
2.3 读出电路的噪声分析
2.3.1 MOS和无源器件噪声
2.3.2 电路工作噪声
2.3.3 噪声等效温差分析
2.4 读出电路设计流程和工具
2.5 本章小结
第3章 512×32数字化读出电路设计研究
3.1 电荷包计数型ADC读出电路工作原理与分析
3.2 512×32电荷包计数型ADC读出电路的整体架构
3.3 单元电路设计
3.3.1 注入级结构的设计
3.3.2 比较器设计
3.3.3 计数器设计
3.3.4 锁存器设计
3.3.5 单元电路仿真及版图设计
3.4 16bit并行转串行电路
3.5 行、列移位寄存器设计
3.6 LVDS设计
3.6.1 前级缓冲器电路
3.6.2 偏置电路设计
3.6.3 LVDS驱动电路
3.7 512×32电荷包计数型ADC读出电路仿真及版图
3.7.1 512×32读出电路仿真
3.7.2 512×32读出电路的版图、ESD设计及后仿真
3.8 测试模块
3.9 读出电路的测试分析
3.9.1 TEST读出电路的测试
3.9.2 耦合长波红外探测器的焦平面验证测试
3.10 本章小结
第4章 线性-对数结构读出电路设计研究
4.1 线性-对数结构读出电路的原理和结构
4.2 线性-对数结构读出电路的整体框架
4.3 模拟链路的设计与仿真结果
4.3.1 单元电路的设计与仿真
4.3.2 输出缓冲器的设计与仿真
4.3.3 模拟链路的仿真结果
4.4 数字控制模块
4.5 16元电路整体仿真及版图设计
4.6 线性-对数结构读出电路的测试分析
4.6.1 电流源输入测试
4.6.2 HgCdTe探测器输入测试
4.7 本章小结
第5章 干涉式大气垂直探测器读出电路研究
5.1 干涉式大气垂直探测器工作模式
5.2 读出电路的整体及模拟链路结构
5.3 相关双采样结构的噪声分析
5.4 模拟链路的设计与仿真
5.5 128通道读出电路整体仿真及版图设计
5.6 测试分析
5.6.1 读出电路的测试
5.6.2 焦平面测试
5.7 本章小结
第6章 总结和展望
6.1 总结
6.2 展望
参考文献
致谢
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]2018年国外空空导弹发展动态研究[J]. 任淼,文琳,李双. 航空兵器. 2019(03)
[2]红外导引头关键技术国内外研究现状综述[J]. 马晓平,赵良玉. 航空兵器. 2018(03)
[3]像素级数字长波制冷红外焦平面探测器研究进展[J]. 白丕绩,姚立斌,陈楠,毛文彪,韩庆林,周连军,姬玉龙. 红外技术. 2018(04)
[4]红外制导技术在空空导弹中的应用分析[J]. 吕洁,罗勇,卿松,叶建斌,周新宇,周雪琴. 兵器装备工程学报. 2017(12)
[5]GaN基紫外探测器读出电路注入效率[J]. 马丁,刘福浩,李向阳,张燕. 红外与激光工程. 2017(11)
[6]基于分时共享方案的640×512红外读出电路设计[J]. 梁清华,蒋大钊,陈洪雷,丁瑞军. 红外与激光工程. 2017(10)
[7]风云四号气象卫星及其应用展望[J]. 董瑶海. 上海航天. 2016(02)
[8]红外焦平面读出电路集成数字输出[J]. 高磊,翟永成,梁清华,蒋大钊,丁瑞军. 红外与激光工程. 2015(06)
[9]第三代红外焦平面探测器读出电路[J]. 白丕绩,姚立斌. 红外技术. 2015(02)
[10]红外读出电路噪声优化分析[J]. 王霄,史泽林. 半导体光电. 2013(06)
博士论文
[1]红外傅立叶光谱仪信息处理技术研究[D]. 张磊.中国科学院大学(中国科学院上海技术物理研究所) 2017
[2]320×256大动态范围长波红外读出电路结构设计[D]. 翟永成.中国科学院大学(中国科学院上海技术物理研究所) 2017
[3]640×512红外焦平面读出电路的设计研究[D]. 梁清华.中国科学院大学(中国科学院上海技术物理研究所) 2017
[4]具有背景电流自补偿功能的红外读出电路研究[D]. 周同.南京理工大学 2016
[5]320×256中/长波双色红外信号读出电路设计[D]. 周杰.中国科学院研究生院(上海技术物理研究所) 2015
[6]集成模数转换器的红外焦平面读出电路研究[D]. 高磊.中国科学院研究生院(上海技术物理研究所) 2015
[7]高帧频短波红外焦平面读出电路及实时红外图像处理SoC研究[D]. 王攀.中国科学院研究生院（上海技术物理研究所） 2014
[8]甚长波红外探测器信号读出电路结构研究[D]. 郝立超.中国科学院研究生院（上海技术物理研究所） 2014
[9]基于红外成像系统的低温读出电路设计技术研究[D]. 赵宏亮.天津大学 2012
[10]红外焦平面阵列读出信号处理电路设计关键技术研究[D]. 李辛毅.天津大学 2010
硕士论文
[1]应用于阵列式时间数字转换器的D触发器设计[D]. 许其罗.东南大学 2016
[2]高速LVDS收发器的研究与设计[D]. 谢詹奇.上海交通大学 2008
本文编号：3207853
本文链接：https://www.wllwen.com/shoufeilunwen/xxkjbs/3207853.html
