红外焦平面阵列新结构高性能CMOS读出电路研究

摘要

红外成像技术具有良好的应用前景，在国民经济的多个领域正得到日益广泛的应用，尤其是在军事领域。红外焦平面阵列(IRFPA)主要由探测器和读出电路(ROC)两部分组成。IRFPA对其ROC要求比较苛刻，如低功耗，探测器偏压稳定，阵列尺寸和中心距小，尤其是在背景电流很大的情况下，如何进行背景抑制，以提高探测灵敏度和信噪比等等。目前的各种方案中，有的电路太复杂，不适于大规模IRFPA应用：有的对阈值电压波动太敏感，读出性能差；有的没有良好的背景电流抑制功能，动态范围小，不适于高背景条件(例如：空对地，地对地)条件下的应用。 针对上述问题，作者在充分了解国内外的最新研究现状后，作为主研人之一参与了国家自然科学基金项目“红外焦平面阵列新结构高性能CMOS读出电路研究，，(批准号：60077025)，并参与了实验室的一系列科研项目。 作者首先分析了在CMOS集成电路设计中的几个主要技术问题，如MOS电容、MOSFET的沟道长度调制效应、CMOS简单电流镜和Wilson电流镜。然后介绍了现有的多种红外焦平面阵列CMOS读出电路方案，并对其中的几种方案进行了细致的分析和对比，如DI结构与BDI结构的对比，以及具有背景抑制功能的BGMI结构，并指出了现有技术的优点和不足之处。 在对目前的红外焦平面CMOS读出电路技术的详细分析的基础上，针对现有技术的缺陷，结合模拟和数字电子技术、光电子技术、微电子技术、计算机技术等多学科交叉知识，创新性地改进和提出了几种新结构红外焦平面CMOS读出电路技术(如改进了文献[12]中的背景电流存储抑制结构、提出了新结构的暗像元背景抑制结构)，在国内外首次提出了动态源随器的概念，并在此基础上构建了一种新结构的相关双采样技术。 而后，通过PSPICE完成了基于上述创新点而设计的具有背景电流抑制功能的电路设计；利用IC版图设计工具Tanner，完成了其IC版图的设计工作；还用MAXPLUSⅡ设计了多种驱动信号源，包括上述新结构红外焦平面CMOS读出电路的驱动信号源。

目录

文摘

英文文摘

1引言

1.1红外探测器

1.1.1热敏(型)红外探测器

1.1.2光子(型)探测器

1.2 CMOS读出电路

1.2.1 CCD读出电路与CMOS读出电路

1.3红外焦平面阵列技术的发展现状与趋势

1.3.1红外成像技术的发展现状

1.3.2未来的发展趋势

1.4课题的研究内容

1.4.1高性能电路结构

1.4.2计算机辅助设计

1.5课题的研究目的和意义

2 CMOS集成电路

2.1 MOS FET的电容

2.2 MOS FET的沟道长度调制效应

2.2.1沟道长度调制效应参数△L的提取

2.3 CMOS倒相器

2.3.1 CMOS倒相器的传输特性

2.4 CMOS电流镜

2.4.1 CMOS简单电流镜

2.4.2 CMOS Wilson电流镜

2.4.3 PSPICE模拟结果

2.5 CMOS电路中的栅锁效应

2.5.1 p阱CMOS工艺的寄生pnpn结构

2.5.2发生栅锁效应的条件

2.5.3消除栅锁效应的办法

3新结构红外焦平面CMOS读出电路的研究

3.1 CMOS读出电路独特的具体要求

3.1.1电荷存储能力

3.1.2积分时间

3.1.3噪声

3.1.4动态范围

3.1.5读出速率

3.1.6工作温度

3.1.7功耗

3.1.8辐射强度

3.1.9探测器偏压控制

3.1.10像元和阵列的面积

3.2常规的CMOS读出电路结构

3.2.1源随器结构(SFD)

3.2.2直接注入结构(DI)

3.2.3缓冲直接注入结构(BDI)

3.2.4公共缓冲直接注入结构(SBDI)

3.2.5电容跨导放大器结构(CTIA)

3.2.6开关电流积分结构(SCI)

3.2.7栅调制输入结构(GMI)

3.3新结构高性能CMOS读出电路

3.3.1缓冲栅调制输入结构(BGMI)

3.3.2暗电流存储背景抑制ROC结构(DCSS)

3.3.3暗像元补偿背景电流抑制结构

3.4新结构相关双采样电路

3.4.1带充电回路的相关双采样电路

3.4.2新结构的CDS电路工作原理

3.4.3 PSPICE模拟结果与分析

3.5小结

4红外焦平面阵列读出电路的驱动信号源设计

4.1可编程逻辑器件PLD

4.2灵活的驱动信号源方案

5 CMOS集成电路的版图设计

5.1 MOS集成电路的工艺设计

5.1.1硅栅工艺的特点

5.2体硅CMOS工艺设计中阱工艺的选择

5.2.1 n阱工艺

5.2.2 p阱工艺

5.2.3双阱工艺

5.2.4 Retro-grade阱

5.3集成电路版图设计规则

5.3.1版图的层次

5.3.2版图的分析和检验

5.4电流存储背景抑制CMOS读出电路的版图

6论文总结

致谢

参考文献

作者攻读博士学位期间发表的论文

附件