32×32红外焦平面阵列CTIA型读出电路系统设计

摘要

由于电容反馈跨阻放大器（CTIA）型读出电路在红外焦平面阵列中的广泛应用，论文着重于对高性能CTIA型读出电路和小型阵列进行探测性研究和设计。论文基于抗辐照CMOS电路的课题背景展开研究，从读出电路的单元电路和阵列系统两方面开展理论和设计研究。设计出高性能读出电路单元和32×32阵列的系统架构，实现了整个系统数据的高准确读出。
　　论文首先介绍了红外焦平面阵列的组成部分：红外探测器和读出电路，对光伏型探测器建立物理模型，为读出电路研究工作的开展作理论基础。通过对比不同种类CMOS读出电路的优点和缺点，确定了具有明显性能优势的CTIA型读出电路作为研究对象。
　　其次，为研究具有高性能的CTIA读出电路：稳定的探测器偏压、高注入效率和输出信号线性度，对CTIA读出电路建立物理模型，设计出注入效率为98.6％，探测器偏压变化0.493mV，输出信号非线性度为0.92%的高性能读出电路并进行仿真验证。为提高读出电路的其他性能指标，还给出了复位开关、采样电容和源随器的设计分析。
　　再次，构建32×32红外焦平面读出电路阵列的系统架构，主要利用顺序脉冲发生器产生信号的特点设计行列控制信号产生电路，通过帧频同步信号FSYNC和行频同步信号HSYNC控制顺序脉冲发生器的使能端，来达到帧频和行频同步的功能，并得到了仿真验证。
　　最后，基于0.5μm5V2P3MCMOS数模混合工艺，进行了32×32红外焦平面阵列电路的整体仿真。通过对行列开关噪声的分析，提出读出效果更好的先列后行的读出方式。仿真结果证实，论文设计的数字控制电路能很准确的对32×32阵列数据进行读取。采用全定制设计方法，给出了整个芯片的版图设计和布局优化，并利用版图验证工具进行DRC、LVS和寄生参数提取后的仿真验证，且该芯片已成功流片。
　　本文对32×32红外焦平面阵列电路的研究和设计具有重要的研究意义，不仅为抗辐照CMOS电路提供了研究依托，而且对后续大阵列读出电路的设计有一定的参考价值。

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第一章 绪 论

1.1 引言

1.2 红外焦平面阵列的发展现状

1.3 课题研究工作的目的和意义

1.4 本论文的结构安排

第二章 红外焦平面阵列概述

2.1红外探测器

2.2 CMOS读出电路的功能和类型

2.3 读出电路的主要性能参数

2.4 本章小结

第三章 高性能CTIA型读出单元电路的研究和设计

3.1 CTIA读出电路的基本工作原理和定性分析

3.2 CTIA读出电路的理论分析

3.3 高性能CTIA单元电路的设计

3.4 电路仿真验证和结果分析

3.5 本章小结

第四章 32×32红外焦平面读出电路阵列的系统设计

4.1 32×32红外焦平面读出电路的系统架构

4.2 数字控制模块的设计和仿真

4.3数字控制模块总电路

4.4 本章小结

第五章 数模模块总体仿真及版图绘制

5.1行列开关噪声

5.2 版图绘制及其优化

5.3 本章小结

第六章 结论

致谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果