高动态范围低功耗数字式红外读出电路的设计

摘要

红外焦平面阵列能够探测到自然界微弱的红外辐射能量，并对其进行积分等处理产生图像信息，被广泛应用于军事和民用领域。读出电路是红外焦平面的核心模块，其性能更是决定着红外焦平面阵列应用的关键。由于第三代红外探测器的发展，像素达到百万级、热灵敏度的噪声等效温差达到1mK量级的基本特征对传统模拟读出电路的性能提出了巨大的挑战。而数字式读出电路将ADC集成在芯片内，为第三代红外探测器的实现提供了巨大的可能，因而发展数字式红外读出电路显得尤其重要。
　　本文基于SMIC0.18μm CMOS工艺，采用像素级ADC型数字式焦平面结构，完成了128×128阵列，像素单元面积35μm×35μm的高动态范围低功耗数字式红外读出电路的设计。读出电路的像素输入级采用DI型电路结构，对输入信号进行积分。为了实现像素单元内A/D转换，放弃了常用的ADC结构，设计了一种脉冲调制电路进行A/D转换。为了实现读出电路的高动态范围，创新地采用两段计数（数字域和时间域）的方式对积分信号进行计数，并设计了一种14位的异步计数器和静态存储器以及相应的数字逻辑运算模块。最后，完成整体版图的设计以及积分电路的后仿真。
　　后仿真结果表明:电路工作在100Hz的帧频下，采用20MHz的高频时钟进行残留电容的测量，读出电路所能达到的最大积分电荷量为3.07Ge-，量化噪声为902e-，电路的动态范围为120dB，单个像素单元的功耗为2.12μW，整体芯片功耗为34.8mW，指标满足设计要求。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 红外焦平面阵列研究现状

1．2 数字式红外读出电路的现状

1．3 本文的研究内容和设计指标

1．3．1 研究内容

1．3．2 设计指标

1．4 论文的组织结构

第二章 第三代红外焦平面数字式读出电路技术

2．1 数字式红外读出电路技术

2．1．1 芯片级ADC结构

2．1．2 列级ADC结构

2．1．3 像素级ADC结构

2．2 ADC的原理与类型

2．2．1 模数转换器的原理

2．2．2 模数转换器类型

2．3 本章小结

第三章 数字式读出电路各模块的设计

3．1 数字式读出电路整体电路结构

3．2 脉冲调制A／D转换电路的设计

3．2．1 脉冲调制A／D转换电路的优化设计

3．2．2 比较器的设计与仿真

3．3 计数器的设计

3．3．1 D触发器的设计

3．3．2 计数器设计和仿真结果分析

3．3．3 静态存储器的设计

3．4 ALU逻辑模块的设计

3．5 两段计数提高动态范围的设计与分析

3．5．1 一段计数的读出电路动态范围分析

3．5．2 两段计数的读出电路动态范围分析

3．6 本章小结

第四章 整体电路的设计和仿真

4．1 整体电路的架构设计

4．2 读出电路的时序设计

4．2．1 脉冲调制电路的时序

4．2．2 主模块的控制时序

4．2．3 行选及列选控制信号的时序仿真

4．3 整体电路数模混合仿真

4．3．1 ALU逻辑模块的数模混合仿真结果

4．3．2 仿真结果分析与指标对比

4．4 本章小结

第五章 版图设计规则及后仿验证

5．1 芯片版图设计

5．1．1 CMOS工艺流程简介

5．1．2 芯片版图设计规则

5．1．3 关键模块电路版图的设计

5．1．4 整体版图的设计

5．2 芯片后仿真

5．3 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

致谢

参考文献

作者简介