基于QWIP红外焦平面阵列DI读出电路的研究与实现

摘要

当今的红外焦平面技术已发展成为集红外材料、光学、制冷、硅微机械加工和微电子于一体的高科技综合技术,它对国防建设有着非常重要的意义,在工业和民用领域也有着极其广泛的市场前景。红外焦平面阵列主要由红外探测器阵列和读出电路阵列两部分组成。CMOS读出电路是读出电路发展的主流方向,也是红外焦平面阵列的关键技术之一,它的性能优劣直接影响到红外焦平面阵列,甚至整个红外系统的性能。我国于上世纪九十年代才涉足此技术,目前仍处于预研阶段,其水平较西方发达国家尚有不小差距。发展我国自己的红外焦平面阵列技术已成为当务之急。 针对以上问题,在充分了解国内外的最新研究现状后,本课题决定设计出一种基于QWIP的红外焦平面阵列读出电路,以求能够满足QWIP阵列的特点要求。在电路的设计中首先分析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,并指出了现有技术的优点和不足之处。然后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,创新性地改进了直接注入方式(DI)的红外焦平面CMOS读出电路技术。 本文首先对几种典型的CMOS读出电路方式进行了比较,之后针对本文采用的DI注入方式的读出电路进行了详细的理论分析和实验仿真。该读出电路具有稳定的偏置电压,较好的暗电流抑制和噪声抑制功能。对以后的电路设计提供了一个很好的参考。 本文主要是通过Cadence软件进行电路的版图设计,完成了IC版图的设计工作。并在流片后进行了芯片的测试工作。最终的测试结果表明：该电路设计方式符合最初的设计要求。

目录

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声明

1绪论

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

1.3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运算放大器

2.1电路指标描述

2.2电路整体结构

2.3电路工作原理和子电路详细设计

2.3.1电路工作原理

2.3.2子电路SPEC确定

2.3.3子电路详细设计

2.4电路仿真

2.4.1直流开环增益、增益带宽积

2.4.2闭环带宽

2.4.3共模输入范围

2.4.4输出电压摆幅

2.5电路总结

3红外读出电路的研究

3.1 CMOS读出电路独特的具体要求

3.2常规的CMOS读出电路结构

3.2.1直接注入结构(DI)读出电路理论分析与仿真实验

3.2.2 DI读出电路的仿真与性能分析

3.2.3缓冲直接注入结构(BDI)

3.2.4电容跨导放大器结构(CTIA)

3.2.5源随器结构(SFD)

3.2.6开关电流积分结构(SCI)

3.3红外焦平面阵列的噪声及处理技术

3.3.1读出电路的噪声

3.3.2读出电路噪声处理技术

3.4暗电流抑制电路——电流存储电路

3.5数字控制部分

3.6 DI整体电路的仿真

4 CMOS集成电路的版图设计及测试

4.1 Mos集成电路版图设计的关键问题分析

4.2集成电路版图设计规则

4.3 DI方式CMOS读出电路的版图

4.4测试结果

5总结

6致谢

参考文献

在学校期间发表的论文