soi二极管型长波红外探测器单元电路设计

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1、摘要近年来，红外焦平面阵列（IRFPA）被广泛应用于军事、医疗、工业等领域，其中非制冷型IRFPA可在室温下工作，大大降低了生产成本而备受青睐。IRFPA由红外探测器和读出电路构成，SOI二极管型红外探测器利用PN结的良好温度特性，可与标准CMOS工艺兼容，实现与读出电路的集成封装，成为目前非制冷型IRFPA的重要发展方向，因此对其专用读出电路的设计是目前整个IRFPA的研究重点。本文在对SOI二极管型红外探测器结构及工作原理的详细分析后，设计了专用的前端单元电路，该电路采用Gm-C-OP积分放大器的结构，将探测器产生的微弱电

2、压信号经跨导放大器（OTA）转化为电流信号，再经电容反馈跨阻放大器（CTIA）积分转化为电压信号输出。设计的Gm-C-OP积分放大器采用差分输入的结构，可以有效地消除环境及芯片温升对探测器输出信号的影响，大大提高了读出电路的均匀性。文中设计了三种具有高线性度的Gm-C-OP积分放大器，详细介绍了其工作原理与设计过程，采用0.35μm5VCMOS工艺进行了版图设计与后仿真，并对流片后的芯片进行了封装与测试。测试结果表明：三种Gm-C-OP积分放大器均可实现对输入0~2mV微弱电压信号的线性响应，线性度达97%，输出范围大于2V，

3、并可完成积分放大器的增益可调功能。但三种积分放大器均存在一定程度的输入失调电压，论文最后对其原因进行了分析，并采用斩波稳定技术设计了一种具有低失调电压的积分放大器，给出了相应的仿真结果。关键词：非制冷型红外焦平面阵列SOI二极管读出电路Gm-C-OP积分放大器斩波稳定ABSTRACTInfraredFocalPlane(IRFPA)iswidelyusedinmilitary,medicaltreatment,industry,etc.UncooledIRFPAhaslowcostandlessvolumeduetothead

4、vantageofnon-refrigeration.Composedofdetectorandreadoutcircuit(ROIC),thecharacterofIRFPAquitedependsonthetwoelements.Silicon-on-insulator(SOI)diodedetectorisconstructedwithPNjunctiondiodesfabricatedintheSOIfilmandbasedonstandardCMOSprocess,whichcanbeintegratedwithRO

5、ICandhasbecomethedevelopmentdirectionofuncooledIRFPA.Thedetectorusesitsforwardvoltagedependenceoftemperaturecausedbyinfraredradiationtoachievedetection.Therefore,itisimportanttodesignaspecificROIC.Inthispaper,aunitcircuitforlongwavelengthinfrareddetectorusingSOIdiod

6、ehasbeendesigned.TheunitcircuitisaGm-C-OPintegratedamplifier,whichconsistsofanOTAandaCTIA.TheOTAconvertstheinputvoltagefromthedetector,intocurrent,whichisthenconvertedtovoltagebyCTIA.Byadoptingdifferentialinputstructure,theGm-C-OPintegratedamplifiercaneliminatetheef

7、fectofambienttemperatureandimprovetheuniformityoftheoutputsignal.ThreekindsofhighlylinearGm-C-OPintegratedamplifieraredesignedandtheirworkingprinciplesareprovided.Thecircuitswerefabricatedina0.35μmCMOSprocessunder5Vsupplyvoltage.TestingresultsshowthatthethreeGm-C-OP

8、integratedamplifierscaninvertthesmallinputvoltagerangingfrom0to2mVintoapropervoltagelinearly.Thelinearityis97%andthedynamicrangeisover2V.H