带背景抑制的红外焦平面阵列读出电路的研究

摘要

非制冷红外成像技术在工业、军事和医疗等各领域获得越来越广泛的应用。红外焦平面阵列探测器作为红外成像系统的核心，由探测器阵列和读出电路两部分组成，较之传统的红外探测器，具有结构简单，性能高，可靠性好等优点。因此，研究非制冷红外焦平面阵列读出电路具有重要的现实意义。
　　本文针对非制冷红外焦平面探测器探测到的微弱红外信号，基于0.35μm的工艺模型，设计了非制冷红外焦平面阵列读出电路中的模拟读出电路，配合时序将信号放大、去噪、采样处理后缓冲输出，从而为非制冷红外探测器实现相应的功能打下了良好基础。
　　首先，根据焦平面感光像元的物理特性，以NMOS缓冲注入式偏置电路为基础，对像元进行恒压偏置，输出量是随温度变化的电流量。由于输出的电流非常微弱，设计了一个折叠式共源共栅运算放大器，提高信号的注入效率同时对信号进行放大，以降低对后续信号处理的性能要求。由于输出的电流具有较大的背景电流噪声，因此需要通过背景抑制电路将红外信号中的背景噪声信号消除。本文提出并改进了一种新型的背景抑制电路，把第一代开关电流（SI）电路引入到读出电路中，通过设置合适的MOS管宽长比，电路实现了电流复制的功能。电路利用合适的时序控制开关的通断，先将噪声信号存储起来，再将像元输出的信号与复制的噪声信号相减，达到去除背景噪声信号的目的，从而可以有效提高系统的信噪比和识别微弱信号的能力。去除了背景噪声的电流量经过积分放大模块电路，采样保持电路，经缓冲后输出给后续电路。设计了数字时序电路，给出了各个单元电路及整体电路的电路结构和仿真结果。最后，根据0.35μm的N阱标准CMOS工艺模型，设计了该读出电路的版图。
　　经过Cadence软件中的Spectre仿真表明：在时序信号的控制下，设计出的模拟读出电路经过去噪、放大等环节之后，可以较好的提取出像元探测到的小信号，电流复制比约为94％，所设计的电路可以探测10℃到50℃的温度范围内的信号变化；整体模拟读出电路的版图面积约为300μm×300μm，为红外焦平面阵列读出电路的单个芯片集成提供了一定的基础。

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1 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外红外焦平面阵列的发展现状

1.3 非制冷红外焦平面阵列读出电路的发展趋势

1.4 论文的主要内容

2 读出电路的总体设计

2.1 红外焦平面阵列读出电路简介

2.2 二极管型探测器的读出原理

2.3 焦平面阵列读出电路偏置方式的选择

2.4 读出电路的总体设计

2.5 本章小结

3 非制冷红外焦平面阵列读出电路设计

3.1 运算放大器的设计

3.2 积分放大模块的设计与仿真

3.3 采样保持模块的设计与仿真

3.4 背景电流抑制模块的设计与仿真

3.5 读出电路整体设计

3.6 本章小结

4 读出电路的版图设计

4.1 版图的设计流程

4.2 版图设计的层次和规则

4.3 版图设计技术

4.4 读出电路的版图设计

4.5 本章小结

5 总结展望

致谢

参考文献

附录 A. 作者攻读学位期间发表的论文