红外焦平面阵列视网膜形态读出电路的研究

摘要

红外焦平面阵列(Infrared Focal Plane Array，IRFPA)技术在国防建设领域获得了重要的应用，同时在工业和民用领域也有着极其广泛的市场前景，可以应用于精确制导、夜间作战、搜索、跟踪、视觉增强等领域。读出电路(Read Out IntegratedCircuit，ROIC)是红外焦平面阵列的重要组成部分，它接收红外探测器的微弱信号并对之进行放大、去背景和降噪等处理后进行读出，对红外焦平面阵列乃至系统的总体性能来说至关重要。随着阵列规模的不断扩大，焦平面阵列视频输出和后端的图像处理之间的计算瓶颈问题日益突出，加之红外信号高背景、低对比度的特点，对后端的模数转换器的精度和速度都提出了更高要求，这增加了后端电路以及成像系统的复杂性和设计难度。因此这就需求在读出电路中集成部分信号处理功能(例如：边缘提取、模数转换、死像元剔除、背景抑制、非均匀性校正等)从而增强读出电路的性能，降低后级图像处理电路的复杂程度、尺寸和费用。这种读出电路被称为“Readout and Processing Integrating Circuit(ROPIC)”。
　　 本论文由国家自然科学基金项目(No.60702007)资助，在分析国内外红外焦平面阵列读出电路现状的基础上，着重研究了硅视网膜以及相关神经态电路模型。借鉴硅视网膜神经态电路的结构与功能，在传统的电流镜积分(Current MirrorIntegrated，CMI)读出结构的基础上集成了仿生视网膜的信号处理电路，以实现对图像边缘提取的功能。像元电路主要由背景抑制电路、电流放大电路、CMI读出结构、2D滤波网络和电流镜减法电路构成，采用了列共享积分单元、CDS单元、采样保持单元的滚动积分式串行读出结构。该读出电路具有对空间边缘突变信号敏感，对平滑渐变信号不敏感的特性，能够对图像信号进行边缘提取、并实现局部光强自适应。在CSMC0.5um2PTM CMOS工艺下，用Spectre仿真器分别对1×20线阵和20×20面阵进行了整体仿真，并对10×10面阵的读出电路进行了完整的版图设计。采用Verilog HDL技术并结合逻辑综合工具Design Compiler工具和自动布局布线工具Encounter SOC对片上数字驱动电路的进行设计，以提高焦平面阵列的集成度，满足读出多样化的需求。