基于0.18μm工艺的非制冷红外焦平面阵列读出电路的研究

摘要

红外探测器由于体积小，功耗低，实用性强等特点，已经广泛应用于工业控制、军事侦察和航空航天等高端领域;非制冷红外探测器的问世是红外探测领域的又一次革命性突破，迅速引起各国关注;探测器的两大核心结构:读出电路和感光像元阵列也成为研究非制冷红外探测器的两大出发点。制作出更小尺寸的像元，更大阵列的读出电路，更低成本，更高集成度的红外探测芯片是当前非制冷红外焦平面阵列的主要研究方向。 本论文基于TSMC0.18μm1P6M工艺，设计出基于25μm×25μm尺寸像元的384×288非制冷红外焦平面阵列读出电路，该电路主要包括对有效像元支路和盲像元支路的电流差进行积分放大的电容反馈互阻放大电路(CTIA)和对积分电压信号进行处理的采样保持，缓冲输出部分，以及在微机械系统(MEMS)像元制作完成前用于测试的等效像元电路。 通过分析了MEMS像元红外探测器读出电路的工作原理，得到像元温升、电阻值变化、响应率和噪声等相关参数的解析表达式，设计出新型的等效像元电路，在像元制作完成前利用这种等效电路对读出电路的特性做前期测试，降低红外探测器制作成本。本论文设计了一种对差分电流进行积分放大的新型CTIA结构，在各个模块之间都设置了使能端，采用了动态功耗管理技术，从而降低系统功耗;另外，针对像元电阻提出新型的粗校准技术，消除有效像元在未受到红外辐射前因为外界环境或者工艺误差带来的系统偏差。同时，本课题读出电路所对应的像元尺寸为25μm×25μm，该读出电路同样适用于其它尺寸的像元电路。最后，在Cadence下对非制冷红外焦平面阵列的读出电路中各个模块进行了设计、仿真和分析，前端仿真结束后，再进行版图的设计。

目录

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摘要

第一章绪论

1．1引言

1．2红外探测器概况

1．2．1光子探测器

1．2．2热探测器

1．3国内外研究现状

1．4非制冷红外探测器及读出电路的发展趋势

1．5论文的研究背景、目的与研究内容

1．6本章小结

第二章非制冷红外探测器读出电路的理论

2．1红外辐射特性

2．2非制冷红外探测器读出电路的工作原理

2．3读出电路的性能参数分析

2．3．1像元噪声分析

2．3．2读出电路噪声分析

2．3．3 响应率

2．3．4噪声等效温差(NETD)

2．4本章小结

第三章非制冷红外焦平面阵列读出电路中等效像元电路设计

3．1等效像元的工作原理

3．2 MEMS像元阵列结构

3．3等效像元的电路设计与仿真

3．4本章小结

第四章非制冷红外探测器读出电路的设计与仿真

4．1读出电路整体结构

4．2非均匀性调节

4．3积分电路的设计与仿真

4．3．1积分电路中运算放大器的设计与仿真

4．3．2 CTIA电路结构设计

4．3．3 CTIA电路的参数分析

4．3．4 CTIA电路的仿真

4．4数据寄存器设计与仿真

4．5采样保持电路设计与仿真

4．6输出缓冲器的设计与仿真

4．7本章小结

第五章读出电路版图设计

5．1读出电路版图结构

5．2本章小结

第六章总结与展望

6．1总结

6．2展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢