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《天津大学》 2012年
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基于红外成像系统的低温读出电路设计技术研究

赵宏亮  
【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Chartered0.35μm 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。
【关键词】:红外焦平面 读出电路 低温电路 模数转换器 MOSFET模型
【学位授予单位】:天津大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:TN215;TN432
【目录】:
  • 中文摘要3-4
  • ABSTRACT4-6
  • 目录6-9
  • 第一章 绪论9-21
  • 1.1 前言9-10
  • 1.2 红外探测器简介10-14
  • 1.2.1 红外探测器发展历史10
  • 1.2.2 红外探测器分类10-14
  • 1.3 红外焦平面(FPA)技术简介14-18
  • 1.3.1 红外 FPA 技术发展历史14-15
  • 1.3.2 红外 FPA 技术国内外发展现状15-16
  • 1.3.3 FPA 的主要性能指标16-18
  • 1.4 论文的选题意义、内容结构以及主要创新点18-20
  • 1.4.1 论文的选题意义18-19
  • 1.4.2 论文的内容结构19
  • 1.4.3 论文的主要创新点19-20
  • 1.5 本章小结20-21
  • 第二章 CMOS 器件与电路的低温特性分析21-43
  • 2.1 低温器件与电路概述21-22
  • 2.2 低温 MOSFET 的特性分析22-37
  • 2.2.1 亚阈值区23-24
  • 2.2.2 线性区24-28
  • 2.2.3 饱和区28-31
  • 2.2.4 串联电阻、有效沟道长度和有效沟道宽度31-34
  • 2.2.5 超低温 MOSFET 特性34-37
  • 2.3 低温 CMOS 电路的特性分析37-41
  • 2.3.1 低温对 CMOS 数字电路的影响37-38
  • 2.3.2 低温对 CMOS 模拟电路的影响38-41
  • 2.4 本章小结41-43
  • 第三章 MOSFET 低温参数提取与建模43-68
  • 3.1 MOSFET 模型43-48
  • 3.1.1 阈值电压参数方程44-45
  • 3.1.2 迁移率参数方程45
  • 3.1.3 强反型区 I-V 模型45-46
  • 3.1.4 亚阈值区 I-V 模型46-47
  • 3.1.5 源漏寄生电阻模型47
  • 3.1.6 有效沟道长度和有效沟道宽度模型47-48
  • 3.2 MOSFET 低温参数提取48-67
  • 3.2.1 几个关键参数的提取方法48-51
  • 3.2.2 MOSFET 低温 I-V 测试51-53
  • 3.2.3 单 MOSFET 低温参数提取53-58
  • 3.2.4 基于 BSIM3 的低温修正模型58-63
  • 3.2.5 完整的 MOSFET 低温参数提取63-67
  • 3.3 本章小结67-68
  • 第四章 512×512 阵列低温红外读出电路的设计68-99
  • 4.1 512×512 阵列读出电路的总体结构68-69
  • 4.2 单元读出电路的设计69-80
  • 4.2.1 常用的单元读出电路结构69-74
  • 4.2.2 CTIA 单元电路的设计与仿真74-79
  • 4.2.3 CTIA 单元电路的噪声分析79-80
  • 4.3 列读出电路的设计与仿真80-88
  • 4.3.1 基于电荷转移的列读出结构设计80-83
  • 4.3.2 列读出电路中运算放大器的设计83-87
  • 4.3.3 列读出电路的整体仿真87-88
  • 4.4 列选通器与输出缓冲器的设计与仿真88-90
  • 4.5 版图设计与整体后仿真90-94
  • 4.5.1 版图设计90-93
  • 4.5.2 整体后仿真93-94
  • 4.6 芯片测试94-98
  • 4.7 本章小结98-99
  • 第五章 红外读出电路中的低温 ADC 设计99-160
  • 5.1 常用的 ADC 结构100-105
  • 5.1.1 闪速(FLASH)ADC 结构101
  • 5.1.2 流水线(Pipelined)ADC 结构101-102
  • 5.1.3 循环(Cyclic)ADC 结构102-103
  • 5.1.4 逐次逼近(SAR)ADC 结构103
  • 5.1.5 单斜(Single-slope)ADC 结构103-104
  • 5.1.6 过采样(Oversampling)ADC 结构104
  • 5.1.7 各类 ADC 的比较104-105
  • 5.2 带有失配校准的 Cyclic ADC 设计105-137
  • 5.2.1 RSD 编码 Cyclic ADC 的基本原理106-108
  • 5.2.2 基于运算放大器复用与失调消除的余量放大器结构108-112
  • 5.2.3 改进的 RSD 校准算法112-115
  • 5.2.4 Cyclic ADC 具体电路的设计115-130
  • 5.2.5 Cyclic ADC 的版图设计与整体后仿真130-135
  • 5.2.6 Cyclic ADC 的芯片测试135-137
  • 5.3 带有温度补偿的 SAR ADC 设计137-159
  • 5.3.1 SAR ADC 的基本原理137-140
  • 5.3.2 分段式电容阵列 DAC 结构140-141
  • 5.3.3 温度补偿比较器的设计141-149
  • 5.3.4 逻辑控制电路的设计149-152
  • 5.3.5 SAR ADC 的版图设计与整体后仿真152-157
  • 5.3.6 SAR ADC 的芯片测试157-159
  • 5.4 本章小结159-160
  • 第六章 总结与展望160-162
  • 6.1 全文总结160-161
  • 6.1.1 低温 MOSFET 模型设计总结160
  • 6.1.2 低温红外 FPA 读出电路设计总结160
  • 6.1.3 低温 ADC 电路的设计总结160-161
  • 6.2 未来工作展望161-162
  • 参考文献162-171
  • 发表论文和参加科研情况说明171-172
  • 致谢172

【参考文献】
中国期刊全文数据库 前2条
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【共引文献】
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【二级参考文献】
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