320×256红外焦平面信号读出电路技术研究

摘要

红外焦平面(IRFPA-Infrared Focal Plane Array)是红外成像系统的核心器件，用于获取物体热成像信息，用于红外成像系统的焦平面技术是汇集光机电一体化的制造技术。读出电路(ROIC-Readout Integration Circuit)作为红外焦平面的重要器件，直接关系到红外热成像系统的整体性能。
　　我国基于红外焦平面器件的红外热成像系统与国外发达国家相比，还有相当大的差距，因此，大力发展我国自主的红外焦平面器件技术有非常现实的意义。本文主要工作是采用先进的EDA设计工具设计开发了具有快照功能的320*256红外读出电路并对电路的噪声抑制技术进行了理论分析，运用新思科技的混合集成电路仿真工具对全电路进行了晶体管级的仿真验证，完成了后端集成电路版图设计，进行了流片验证。
　　本文设计的电路具有快照功能、全局复位、独立的串行时钟、增益调节、多窗口选择、积分时间调节、随机像元剔除、低噪声等功能和特点。电路主要电性能:额定工作电压5V，非线性度≤2％，最大输出速率5MHz，功耗≤80mW。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 红外光电探测器发展历史

1．3 读出电路的发展历史

1．4 红外焦平面阵列及其读出电路的发展趋势

1．5 课题研究工作的意义

1．6 课题研究内容及方法

2 红外焦平面读出电路的相关技术

2．1 红外探测器的分类

2．2 红外焦平面阵列读出电路工作原理

2．3 读出电路的分类

2．4 典型CMOS读出电路结构

2．4．1 自积分型读出电路(SI ROIC)

2．4．2 源随器型读出电路(SFD ROIC)

2．4．3 直接注入读出电路(DI ROIC)

2．4．4 反馈增强直接注入读出电路(FEDI ROIC)

2．4．5 电流镜栅调制读出电路(CM ROIC)

2．4．6 电阻负载栅调制读出电路(RL ROIC)

2．4．7 电容反馈跨阻抗放大器读出电路(CTIA ROIC)

2．4．8 电阻反馈跨阻放大器读出电路(RTIA ROIC)

2．5 CMOS读出电路参数特性

2．5．1 积分时间

2．5．2 噪声

2．5．3 动态范围

2．5．4 工作温度

2．5．5 读出速率

2．5．6 功耗

2．5．7 探测器偏置

2．5．8 辐射强度

2．5．9 电荷存储能力

2．5．10 像元和阵列的面积

2．6 与读出电路设计相关的因素与问题

3 320×256高性能红外焦平面读出电路的设计及仿真

3．1 概述

3．2 电路主要功能

3．3 电路设计

3．3．1 电路结构

3．3．2 工作时序

3．3．3 外引脚功能定义

3．3．4 工作条件

3．4 模拟电路

3．4．1 像元电路

3．4．2 电荷放大器

3．4．3 列缓冲放大器

3．4．4 灰电平控制

3．4．5 缓冲输出放大器

3．5 数字电路

3．5．1 一路输出时序

3．5．2 四路输出时序

3．6 电路设计验证

3．6．1 信号读出功能验证

3．6．2 技术指标验证

3．7 本章小结

4 读出电路版图设计

4．1 MOS集成电路的工艺设计

4．1．1硅栅工艺的特点

4．2 体硅CMOS工艺设计中阱工艺的选择

4．2．1 P阱工艺

4．2．2 N阱工艺

4．2．3 双阱工艺

4．3 集成电路版图设计规则

4．3．1 版图的层次

4．3．2 版图的分析和检验

4．4 版图设计

4．4．1 端口ESD设计

4．4．2 版图设计说明

4．4．3 布局设计和布线设计

5 总结与展望

致谢

参考文献