CTIA型红外焦平面阵列非均匀性研究

根据CTIA型红外焦平面阵列的工作原理,分析了非均匀性的来源:探测器芯片、CTIA运算放大器的输入失调电压以及读出电路的积分电容。对这几种因素造成的非均匀性进行了分析、计算和实际测试。最后,提出了使焦平面阵列非均匀性最佳的探测器工作偏置区间。

消除CDS折叠效应的增益自适应红外焦平面读出电路

高动态范围是红外焦平面探测技术的先进发展方向之一。高集成度像元读出电路的动态范围受到小电荷存储容量和噪声的限制。所设计的增益自适应像元读出电路,小信号下为电容反馈跨阻放大器(CTIA),大信号下自动转换为变阻抗电阻反馈跨阻放大器(RTIA),实现小信号大增益、大信号小增益的自动切换,将集成3.86 fF积分电容的CTIA电荷容量拓展到1.63 Me^(–)。在15μm像元中心距的像元内集成相关双采样(CDS)结构,大幅减小噪声。对CDS大信号注入产生的折叠效应进行理论分析,并设计抗折叠结构。采用180 nm 3.3V CMOS工艺,完成640×512规模的读出电路的设计、仿真、流片、测试。测试结果显示,该电路可消除CDS折叠效应,噪声电子数17 e^(–),动态范围拓展到99.66 dB。

高光谱应用的带可调复位时间CDS的低噪声红外焦平面读出电路

低辐射量的高光谱应用对红外焦平面读出电路(ROIC)提出了低噪声的设计要求。相关双采样(CDS)是常用的减少噪声的结构。本文通过调节钳位和采样保持之间的时间间隔来改进CDS,可灵活消除低频噪声。采用180 nm CMOS工艺设计和制造了640×512规模、15μm像元中心距的读出电路。输入级集成了低噪声CTIA与本文提出的可调复位时间CDS(AICDS),所设计的时序产生器使CDS复位时间可以延长0~270个时钟周期。通过延长复位时间减少这个时间间隔,噪声电子数可以由39 e^(-)减少到18.3 e^(-)。SPECTRE仿真结果和实验测试结果证实了提出的AICDS结构可以提升高光谱应用读出电路的噪声性能,因此可以广泛应用。

红外焦平面CMOS单元读出电路

研制出一种 Ｃ Ｍ Ｏ Ｓ 差分放大器组成的电容反馈互导放大器（ Ｃ Ｔ Ｉ Ａ） 型红外焦平面读出电路，其输出端带有相关双取样（ Ｃ Ｄ Ｓ） 电路。对读出电路的注入效率进行了计算机模拟。介绍了器件的设计与工艺分析。实验结果表明，在７７ Ｋ 下，读出电路的动态范围为６６ ｄ Ｂ，功耗典型值为０ ．５３ 毫瓦／

积分时间和工作电压对焦平面探测器性能的影响

测试了采用某CTIA型读出电路的128元InSb焦平面探测器在不同积分时间和工作电压情况下的特性,分析了实验中遇到的一些现象,得到了使焦平面探测器综合性能较高的积分时间和工作电压的取值区间,为设计CTIA型读出电路提供了参考依据。

GaN基紫外探测器读出电路注入效率

读出电路的注入效率是决定紫外焦平面探测器性能的重要因素。基于Ga N基p-i-n结构日盲紫外探测器以及CTIA结构读出电路的等效模型,对探测器信号读出的电荷注入效率进行了分析,得到了注入效率的表达式。分析了注入效率与积分时间、探测器等效电阻、探测器等效结电容、CTIA电路中运算放大器增益的依赖关系,并指出了放大器增益是有效影响注入效率的重要可控因素之一,可以用提高增益的方法获得更大的注入效率。设计了几种不同增益的运算放大器电路,并分别构成CTIA结构读出电路。采用GF 0.35μm 2P4M标准CMOS工艺设计电路版图并进行流片。将紫外探测器分别连接至具有不同放大器增益的CTIA读出电路并进行测试,通过对比注入效率的理论分析结果与实际测试结果,可以得知,注入效率的理论分析与实验结果吻合较好。

640×512焦平面读出电路设计

介绍了640×512电容反馈跨阻放大器(CTIA)型焦平面读出电路的设计,包含模拟电路与数字模块设计。分析了CTIA采样单元的设计,折中优化了采样单元的面积、噪声、增益等因素,同时优化了采样单元控制电路,最大限度地提高了对采样单元阵列的驱动能力;数字控制部分着重分析了对行选、列选、翻转读出、随机开窗、隔行扫描、多路选择输出等功能的实现方式。设计基于0.5μm DPTM工艺进行仿真验证,采样单元面积为25μm×25μm,工作频率为5MHz,芯片面积为18.1mm×17.4mm,输出摆幅大于2.5V,动态范围大于70dB。

微光CMOS图像传感器读出电路研究

高性能的信号读出电路是微光CMOS图像传感器的重要组成部分,如何降低读出电路噪声,提高读出电路输出信号的信噪比成为读出电路设计的重点。本文设计了一种高增益低噪声的电容反馈跨阻放大器CTIA(Capacitive Trans impedance Amplifier)与相关双采样电路CDS(Correlated Double Sampling)相结合的微光探测器读出电路。在CTIA电路中,采用T网络电容实现f F级的积分电容,并通过增益开关控制,来达到对微弱光信号的高增益低噪声读出。采用CSMC公司的0.5μm标准CMOS工艺库对电路进行流片,测试结果表明:在光电流信号为20~300 p A范围内,积分时间为20μs,该电路功能良好,信噪比(SNR)达到10,能应用于微光CMOS图像传感器。

带衬底温度补偿的微测辐射热计读出电路

非致冷微测辐射热计具有较大不均匀性,并且输出响应受衬底温度影响很大.提出的读出电路在读出信号的同时能够扩大探测阵列的允许衬底温度.电路采用多列像素共享容式跨阻放大器(CTIA)和DAC,用补偿暗像元扣除静态电流,校正数据经DAC转换送至MOS管的栅极以控制偏置电流达到温度补偿目的.该电路灵敏度高、动态范围大,对于128×128面阵可以达到30Hz以上的帧频,通过PSPICE仿真验证了该读出电路的可行性.

GaAs/InGaAs量子点-量子阱光电二极管的光存储特性读出

通过对特殊设计的GaAs/InGaAs量子点-量子阱光电二极管的I-V和C-V特性测试,验证了器件的光子存储特性,在器件的读出设计中引入了特殊设计的带倒空信号的基于电容反馈互导放大器和相关双采样(CTIA-CDS)型读出电路。在633 nm辐照下,分别改变照度和积分时间进行了非倒空和倒空测试的对比研究,并计算给出了对应的存储电荷变化量,进一步证明了光电器件的光子存储特性。

微测辐射热计阵列读出电路的单片集成设计

微测辐射热计阵列读出电路的单芯片集成,有利于红外焦平面阵列的智能化和红外成像系统的便携化发展。提出了一种非致冷红外焦平面阵列读出电路,基于SMIC 0.18μm CMOS工艺,采用CTIA型单元读出电路结构,实现了偏置模块、驱动信号源模块、电流积分模块、相关双采样模块(CDS)和缓冲输出模块的单芯片集成,成功制造了1×8读出电路原型。仿真结果表明,设计的读出电路的线性度大于99%,功耗小于5mW,适合于大面阵移植。

宽动态范围读出电路研究

为提高光电探测器的读出性能,设计的电容互阻放大器(CTIA)注入效率大于99%,线性度达99.84%。相关双采样电路(CDS)采用不同控制时序,读出电路可以工作在噪声抑制模式和两次采样模式。噪声抑制模式时读出电路平均噪声为0.91 mV,动态范围为66.85 dB,两次采样模式平均噪声为5.82 mV,动态范围扩展到90.82 dB。

背景暗电流抑制的红外探测器读出电路输入级设计

主要研究红外探测器读出电路的输入级设计,针对短波红外信号,电容反馈互导放大器型(CTIA)读出电路具有高注入效率的特点。本文设计了一种带有背景暗电流抑制的CTIA型读出电路输入级结构,该结构在77 K低温环境,大于300μs的长积分时间工作。探测器接收短波小信号,注入电流0~800 pA,与传统的CTIA型读出电路输入级相比,有效实现对背景暗电流的抑制作用,提供探测器偏压的稳定度提高93.2%,同时,积分线性度达到99.97%,具有良好的积分均匀性、灵敏度和动态范围。

一种单一增益下实现红外探测器大动态范围读出方法研究

目前红外探测器采用传统读出方法很难通过一次积分实现其本身的动态范围。为实现红外探测器的大动态范围不换档读出,引入脉冲频率调制(Pulse Frequency Modulation,PFM)结构,同时为保证弱信号时的注入效率,结合CTIA输入级,对红外探测器不换档大动态范围读出方法进行研究。提出一种CTIA输入级脉冲频率调制(PFM)读出方法,在系统级层面搭建实验系统并结合短波红外InGaAs单元探测器进行数字量化实验。详细分析了强信号时由系统结构延迟时间引起的转换线性度问题,并建立非理想条件下的数字量化转换模型。实验结果显示,提出的CTIA输入级PFM红外探测器读出方法动态范围达到97 dB,为红外探测器不换档大动态范围读出提供了一种可行方案,并为数字化读出电路设计奠定理论基础。

高灵敏度的量子效应探测器的建模和微光探测

针对新型量子点-量子阱光电探测器在不同的辐照功率和器件偏压下的电特性测试,采用曲线拟合的方法,得到不同辐照光功率下的I-V、C-V之间的函数关系,应用Verilog-A语言建立等效电路模型,然后利用电路模拟软件进行验证,为读出电路的设计提供准确的便于和读出电路一起模拟仿真的探测器模型。针对这种探测器低温下具有的暗电流小、灵敏度高、光电转换效率高等优点,设计了电容反馈互阻放大器(CTIA)和相关双采样(CDS)结构的读出电路。芯片集成后和2×8阵列的量子效应探测器封装在陶瓷基板上,低温下(77 K)采用633 nm He-Ne激光聚焦照射探测器,测试得到探测器的微光响应电压。实验结果表明,当器件在50 pW光功率、29.3μs的积分时间、偏压约-3.1 V时,读出电路与探测器对接后12个像元有响应电压;增大光功率至500 pW时,16个像元都有响应;读出电路与探测器对接后平均响应电压为18 mV,平均电压响应率达到3.6×107 V/W。

提高读出电路输入电流动态范围的新方法

设计了一个由CMOS差分放大器构成的电容反馈跨阻型紫外焦平面单元读出电路。该电路在传统的读出电路基础上进行改进,大幅度的提高了输入电流的动态范围。该单元读出电路可应用于工作在快照模式下的128×128 FPA读出电路,像素输出速率达10 MHz,为探测器提供0.3 V^2 V的稳定偏置电压,输入电流的动态范围达52 dB。

量子点红外焦平面读出电路接口研究及选择

目前InGaAs等材料的短波红外探测器读出电路已经较为成熟,其输入级接口电路也因不同公司和项目需求有着相对成熟的选择,但是在量子点短波红外探测器读出电路输入级接口电路的选择上,现有可查阅的公司及团队也并没有对输入级接口电路的选择进行研究,为了解决量子点探测器与读出电路输入级接口的匹配问题,对量子点探测器所使用的主流读出电路输入级结构进行研究,如CTIA、BDI,通过建立其电路等效模型并进行详细分析,以注入效率为切入点进行公式的研究与推导,将量子点探测器测试所得IV、CV分别结合不同输入级电路结构进行计算及对比,选择出一个更适合量子点探测器的读出电路输入级结构,最终选择CTIA型电路作为量子点短波红外探测器读出电路的输入级接口,其注入效率大于99%。