基于红外成像系统的低温读出电路设计技术研究

摘要

红外成像技术广泛应用于军事监测、资源勘探、科学探索及工农业生产等领域。由于受探测器响应及热噪声等因素的影响，通常需要将探测系统置于低温环境中工作，因此读出电路（ROIC）的低温性能成为影响整个探测系统性能的重要因素。本文针对红外成像系统应用，开展了大面阵列红外读出电路的设计与低温技术研究。主要研究内容如下：
　　1、基于Chartered 0.35μm CMOS工艺通过参数修正完成了适用于低温电路仿真的金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）模型。首先，通过理论分析与MOSFET低温测试相结合的方式，深入的研究了低温环境对器件特性的影响，MOSFET各主要参数随温度的变化规律，以及低温器件特性的变化对数字、模拟电路性能的影响。其次，在MOSFET低温特性分析测试的基础上，实现了可用于80K和135K低温电路仿真的MOSFET修正模型。该模型是以常用的BSIM3模型为核心，通过增加用于描述低温载流子冻析效应的修正参数，提高了对于低温下MOSFET的仿真拟合精度。
　　2、针对512×512红外焦平面（FPA），提出了一种低功耗的读出电路结构。通过采用高增益共源共栅CTIA、电荷转移列放大器和新型的输出缓冲结构并结合优化的列输出时序，电路的输出速率达到10MHz以上，而功耗小于70mW。经低温MOSFET模型仿真验证以及芯片测试，该电路可在80K~300K的超宽温度范围内正常工作。
　　3、针对红外系统应用，提出了两种低温模数转换器（ADC）结构。一种为带有失配校准的循环（Cyclic）ADC，通过优化余量放大器（MDAC）结构并采用改进型冗余符号数（RSD）编码校准技术，可以消除由于器件失配带来的运放失调以及增益误差，同时增大了对比较器失调的容忍度。另一种为带有温度补偿的逐次逼近（SAR）ADC结构，通过采用温度补偿时域比较器结构以保证在80K~300K的工作温度范围内转换器的转换速度以及转换精度的稳定性。
　　本文通过理论分析、器件建模、电路仿真以及测试，完成了大面阵的红外读出电路与ADC电路的设计。仿真与测试结果证明，所设计的电路可以满足低温下的应用需求。

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第一章 绪论

1.1前言

1.2红外探测器简介

1.3红外焦平面（FPA）技术简介

1.4论文的选题意义、内容结构以及主要创新点

1.5本章小结

第二章 CMOS器件与电路的低温特性分析

2.1低温器件与电路概述

2.2低温MOSFET的特性分析

2.3低温CMOS电路的特性分析

2.4本章小结

第三章 MOSFET低温参数提取与建模

3.1 MOSFET模型

3.2 MOSFET低温参数提取

3.3本章小结

第四章 512×512阵列低温红外读出电路的设计

4.1 512×512阵列读出电路的总体结构

4.2单元读出电路的设计

4.3列读出电路的设计与仿真

4.4列选通器与输出缓冲器的设计与仿真

4.5版图设计与整体后仿真

4.6芯片测试

4.7本章小结

第五章 红外读出电路中的低温ADC设计

5.1常用的ADC结构

5.2带有失配校准的Cyclic ADC设计

5.3带有温度补偿的SAR ADC设计

5.4本章小结

第六章 总结与展望

6.1全文总结

6.2未来工作展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢