二极管型非制冷红外焦平面阵列读出电路积分放大单元研究

摘要

近几十年来，以非制冷红外焦平面阵列(Uncooled Infrared Focal Plane Array:UIRFPA)为核心器件的红外成像技术逐渐快速发展起来，其具有无需制冷、体积和重量小、成本低等优点，在军事、民用、工业等各个领域有着广泛的应用前景。非制冷红外焦平面阵列主要由红外探测器阵列和读出电路(Read Out IntegratedCircuit: ROIC)构成，其中读出电路是连接红外焦平面阵列探测器和信号处理系统的重要部分，也是非制冷红外焦平面阵列的关键技术之一。当红外探测器探测到红外信号，并将其转换为电信号的过程，该信号通常是很微弱的，我们需要在读出电路中通过积分放大单元将其放大到我们需要的幅值。该单元在读出电路中起到重要作用，很大程度上决定了读出电路的性能，所以我们有理由单独来对它进行研究和设计。
　　本论文首先介绍了非制冷红外焦平面阵列工作原理，重点对其中读出电路积分放大单元基本结构做了描述，详细分析了二极管型UIRFPA探测器信号输出原理后，在现有积分放大单元基本结构基础上，针对其微弱电压信号输出形式设计了Gm-CTIA结构积分放大单元，包括实现电压电流转换的跨导放大器以及CTIA单元，同时附加设计了缓冲隔离电路、采样保持电路以及电流镜偏置电路，构成了完整的读出单元电路，在整个系统中来更好的验证本论文的设计思想。本论文详细介绍了电路各个模块的设计过程，并给出了相应的仿真结果，并对仿真结果进行了仔细分析。
　　本论文设计采用CSMC0.5u DPTM单阱工艺，利用Cadence EDA设计工具完成了电路各个模块的原理图输入、仿真验证、版图布局、版图验证及后仿真等设计步骤，并在流片封装之后，自行绘制PCB测试电路板、搭建测试平台，进行芯片测试，来验证电路设计思想。

目录

致谢

摘要

1 引言

1．1 论文的研究背景及其意义

1．2 UIRFPA国内外研究现状

1．3 论文的研究方法和主要内容

2 非制冷红外焦平面阵列工作原理

2．1 非制冷红外焦平面阵列信号传输过程

2．2 非制冷红外焦平面阵列探测器

2．3 非制冷红外焦平面阵列读出技术

2．4 读出电路积分放大单元基本结构

2．4．1自积分结构(SI)

2．4．2 源跟随器结构(SFD)

2．4．3 直接注入结构(DI)

2．4．4 缓冲直接注入结构(BDI)

2．4．5 栅调制输入结构(GMI)

2．4．6 电容反馈跨阻抗放大器(CTIA)

2．5 本章小结

3 二极管型UIRFPA读出电路积分放大单元设计

3．1 读出电路积分放大单元设计思路

3．2 二极管型UIRFPA探测器原理

3．3 读出电路积分放大单元设计特性指标

3．4 读出电路积分放大电路结构的选取及分析

3．5 读出电路积分模式的选择

3．6 本章小结

4 读出电路积分放大单元模块的设计

4．1 运算放大器的设计

4．1．1 运算放大器的主要性能指标参数

4．1．2 运算放大器结构的选择

4．1．3 运算放大器的设计分析

4．1．4 运算放大器的仿真结果

4．2 电流镜偏置的设计

4．3 跨导放大器的设计

4．4 采样保持电路的设计

4．5 积分放大单元的仿真与分析

4．6 读出单元电路的设计与仿真

4．7 本章小结

5 版图的设计验证与布局后仿真

5．1 版图设计基本流程与工具

5．2 版图设计技术与注意事项

5．3 主要模块版图设计

5．4 芯片版图布局及后仿真

5．5 本章小结

6 测试与分析

6．1 测试方案设计考虑

6．2 测试平台介绍

6．3 测试结果及分析

6．4 本章小结

7 结论

参考文献

声明

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