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《华中科技大学》 2007年
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非致冷红外焦平面的读出电路及测试系统研究

陈西曲  
【摘要】: 红外焦平面阵列(IRFPA)是红外系统及热成像器件的关键部件,在军事及民用领域得到了广泛应用,西方各发达国家长期以来一直很重视红外焦平面阵列的开发和研制工作。微测辐射热计型的非致冷焦平面阵列(UFPA)是当前红外焦平面发展的重要方向之一,其结构一般包括两个部分:红外探测器阵列和读出电路(ROIC)。互补金属-氧化物-半导体(CMOS)读出电路是读出电路发展的主流方向,也是红外焦平面阵列的关键技术之一,其性能影响甚至是决定着整个红外焦平面阵列乃至整个红外成像系统的性能。 相对于西方几个主要发达国家来说,同非致冷红外焦平面阵列的其他技术一样,我国的红外焦平面CMOS读出电路技术以及包括测试CMOS读出电路性能的红外焦平面测试技术起步较晚,在上世纪九十年代才开始涉足。鉴于非致冷红外焦平面在军事应用方面的重要意义,我国迫切需要开发出拥有完全自主知识产权的红外焦平面阵列,应加快非致冷红外焦平面CMOS读出电路及其测试等各项关键技术(材料、读出电路、器件工艺、测试和信号处理等)研究的步伐。 本文着重从微测辐射热计型非致冷焦平面的读出电路及其测试技术两方面开展理论和试验研究,主要内容包括: (1)分析了CMOS读出电路的相关技术,深入分析了CMOS读出电路的噪声特点,并比较了几种基本读出电路结构,主要包括自积分(SI)、直接注入(DI)、源级跟随器(SFD)和电容反馈负导放大器(CTIA)读出结构。其中DI读出结构电路简单,光电流注入效益高,但电路均匀性较差,KTC噪声较大;CTIA读出结构电路具备偏置稳定、高线性、噪声低,均匀性好、动态范围大等其他结构难以具备的优点,但电路结构复杂,功耗大。 (2)提出了一种具有测辐射热计电流直接注入(BCDI)和电容反馈负导放大器CTIA相结合的CMOS读出电路结构,该读出结构具有DI和CTIA读出结构电路的各自优点,同时克服了两种读出结构电路各自固有的缺点,适合大规模红外焦平面。基于我们提出的读出电路结构,一个完整焦平面CMOS读出电路被设计出来,设计出的读出电路具有较强抑噪能力的相关双采样(CDS)电路。CMOS读出电路各部分的仿真及测试表明:设计的读出电路具有低噪声、低功耗及线性动态输出范围大等特点。 (3)设计出了一个测试焦平面性能的低成本模块化测试系统,该系统包括黑体源、红外光学系统和偏压控制等模块,指出了焦平面待测的特征参数并分析了测试系统各模块的功能要求。该测试系统具有可拓展性、在线配置和兼容性等特点。对搭建的一个实际测试系统进行了定标试验,定标结果表明设计的测试系统具有较高的可靠性,能够满足红外焦平面性能测试要求。 (4)最后,应用焦平面测试系统,对本实验室制作的32×32像元红外焦平面的读出电路试验芯片进行了测试试验,测试结果表明CMOS读出电路芯片读出功能正常,符合设计要求的各项性能指标,与电路的仿真结果一致,从而表明了我们提出的读出结构的CMOS读出电路设计的正确性,同时验证了其低噪声、低功耗和高线性等特性。
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