非制冷红外焦平面阵列读出电路设计研究.pdf

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1、非制冷红外焦平面阵列读出电路设计研究刘鹏云2015年1月中图分类号：TQ028.1UDC分类号：540非制冷红外焦平面阵列读出电路设计研究作者姓名刘鹏云学院名称光电学院指导教师蒋剑良副教授答辩委员会主席江月松教授申请学位工学硕士学科专业电子科学与技术学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2015年1月ResearchandDesignofRead-outCircuitforUncooledInfraredFocalPlaneArraysCandidateName：PengyunLiuSchoolorDepartment:SchoolofOptoelectronicsFaculty

2、Mentor:AssociateProf.JianliangJiangChair,ThesisCommittee：Prof.YuesongJiangDegreeApplied:MasterofEngineeringMajor：ElectronicScienceandtechnologyDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence：January，2015研究成果声明本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进行的研究工作获得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其他人已经发

3、表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京理工大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此申明。签名：日期：北京理工大学硕士学位论文摘要红外成像技术在军用和民用的多个领域得到应用，且拥有良好的应用前景和巨大的市场潜力，尤其是在军事领域。而红外焦平面阵列(IRFPA)是红外成像系统的关键组成部分。鉴于它在军事方面的作用非常重大，一直以来它的研制工作都受到西方很多发达国家的重视，且对我国限运。为此，我国迫切需要开发出自己的IRFPA。IRFPA主要由探测像素单元和读出电路两部分组成，其读出

4、电路的性能要求很苛刻，不但要求读出电路的功耗要低，阵列尺寸和中心距要小，还要求探测器偏压稳定，最重要的是探测器必须要有高的灵敏度和信噪比。针对上述问题，作者在充分了解国内外的最新研究现状后，分析了各种类型的红外焦平面阵列的工作原理，并比较了几种比较典型的读出电路结构的优缺点和应用范围，最终选择了电容反馈跨阻放大型（CTIA）读出电路作为本文中的像素单元读出电路。本文设计出的读出电路共包括了CTIA读出电路，缓冲隔离模块，采样保持电路，差分放大器，输出缓冲模块和扫描电路六个模块，实现了线性度为99%的单元像素读出。本文中，CTIA读出电路中的放大器工作于亚阈值区，在实现基本CTI

5、A电路的基本功能的基础上，功耗可低至2µW，且面积小，适用于大的焦平面阵列，并在CTIA读出电路单元模块中采用可调电容，使焦平面阵列在高、低背景下都可正常工作。在采样电路中采用相关双采样技术，利用时间相关性来减弱或消除了一部分的噪声。在扫描电路中采用准静态移位寄存器来实现行选择读出，静态功耗近乎为零。本文是利用中芯国际0.18µm工艺规范来进行设计实现的，并在CadenceIC系统中，完成了它的IC版图设计。最后对本文工作进行论文总结并对下一步的工作提出了设想。关键词：非制冷红外焦平面阵列；电容反馈跨阻放大型读出电路；相关双采样；准静态移位寄存器I北京理工大学硕士学位论文Abs

6、tractInfraredimagingtechniqueisbecomingmoreandmorecommon,andexpectedtobeusedinmanyfields,especiallyinthemilitaryfields.Infraredfocalplanearray(IRFPA)isakeypartofinfraredimagingsystem.OwingtothesignificanceofIRFPAformilitarystratagem,somedevelopedcountrieshavebeenattachinggreatemphasisonthede

7、velopingandresearchingoftheIRFPAforalongtime,andweneedtodevelopourownIRFPA.IRFPAismainlymadeupoftwoparts:detectorandreadout-circuit.Therearehighrequirementsonitsreadout-circuit,suchaslowpowerconsumption,stabledetectorbias,smallpixelsizeandpixelpitc