BDI型红外焦平面读出电路的设计与实现

摘要

红外焦平面阵列作为红外成像系统的关键器件，已经被广泛运用于多种探测领域。红外焦平面阵列主要由红外探测器阵列及读出电路组成，读出电路是连接红外探测器阵列和信号处理系统的主要枢纽，其性能好坏直接影响红外成像系统的应用，高性能的读出电路是红外成像质量的关键所在。
　　本论文主要设计了一款BDI型红外读出电路芯片，首先对红外读出电路涉及的关键参数进行了重点分析，研究了几种不同的像素单元结构的注入效率、动态范围以及线性度的影响因素。由于在版图面积及探测器偏置电压方面的限制，传统的像素单元结构不能直接用于本文的电路架构中，因此，本文对传统的像素单元电路结构进行改进，去掉了传统电路结构中的采样电容，并加入开关控制管，从而更加有效地控制红外探测器的偏置电压。在此基础上，对读出电路的列处理单元及输出缓冲器等模块电路进行了详细设计，两者均采用带米勒补偿的两级运放作为电路的基本结构单元，以实现更大的输出摆幅及更高的电压传输精度。最后基于CSMC0.5μm CMOS工艺进行了版图设计和流片实验。
　　测试结果表明:所设计芯片电荷容量为80.53Me，动态范围为84.61dB，线性度为98％，功耗为56mW，输出摆幅为3.4V，基本满足设计要求。

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 CMOS读出电路研究现状

1．2．1 CMOS读出电路框架及性能参数

1．2．2 CMOS读出电路分类

1．3 本论文主要工作

1．3．1 研究内容与设计指标

1．3．2 论文组织结构

第二章 BDI型读出电路技术

2．1 BDI型像素单元电路结构

2．2 BDI像素单元电路分析

2．2．1 注入效率

2．2．2 动态范围

2．2．3 线性度

2．3 本章小结

第三章 BDI型读出电路的设计

3．1 BDI型像素单元的设计与仿真

3．1．1 BDI型像素单元结构的优化设计

3．1．2 BDI型像素单元结构的仿真

3．2 列处理模块的设计与仿真

3．2．1 列处理模块的设计

3．2．2 列处理模块的仿真

3．3 输出缓冲器的设计与仿真

3．3．1 输出缓冲器的设计

3．3．2 输出缓冲器的仿真

3．4 整体电路设计与仿真

3．5 本章小结

第四章 BDI型读出电路的版图设计

4．1 读出电路版图设计及流片工艺介绍

4．2 模块电路版图设计

4．2．1 像素单元的版图设计

4．2．2 列处理模块与输出缓冲器版图设计

4．3 整体电路版图设计

4．4 本章小结

第五章 芯片测试与分析

5．1 测试方案

5．2 测试结果及分析

5．2．1 功耗测试结果及分析

5．2．2 输出摆幅测试结果及分析

5．2．3 线性度测试结果及分析

5．2．4 动态范围测试与结果分析

5．2．5 测试结果与仿真结果对比

5．3 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 本文工作总结

6．2 未来工作展望

致谢

参考文献

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