非制冷紅外焦平面讀出電路的研究.pdf

1、與制冷型紅外探測(cè)器相比，非制冷紅外探測(cè)器在系統(tǒng)成本、重量、功耗和可靠性等方面都具有明顯優(yōu)勢(shì)。因此，非制冷紅外焦平面陣列已成為當(dāng)代紅外技術(shù)領(lǐng)域的研究前沿，正主導(dǎo)著下一代紅外和相關(guān)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，非制冷紅外成像技術(shù)已經(jīng)成為各國正在研究的熱點(diǎn)之一。
　　 本文系統(tǒng)地深入研究了低噪聲、大面陣、高均勻性、高集成度的非制冷紅外焦平面陣列讀出電路的設(shè)計(jì)，提出了一套基于微測(cè)輻射熱計(jì)單元性能的自上而下的低噪聲讀出電路集成設(shè)計(jì)模型，利用該模型成功地

2、研制了單片集成的非制冷紅外焦平面陣列，在國內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了160×120的面陣，器件具備了良好的紅外熱成像能力。全文主要研究內(nèi)容和成果綜述如下：
　　 1.論文根據(jù)微測(cè)輻射熱計(jì)的光學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)物理特性，對(duì)其進(jìn)行了電學(xué)等效，并得到了其響應(yīng)、信噪比和系統(tǒng)性能的預(yù)估模型；在此基礎(chǔ)上采用電容負(fù)反饋運(yùn)算放大器(CTIA，Capacitive Feedback Transimpedance Amplifier)作為預(yù)放大電路；根據(jù)微測(cè)輻射熱計(jì)

3、的性能參數(shù)以及CTIA電路的噪聲帶寬建立了焦平面探測(cè)器性能的計(jì)算模型。采用斬波穩(wěn)定(CHS，Chopper Stabilization)和相關(guān)雙采樣(CDS，Correlated Double Sampling)技術(shù)設(shè)計(jì)了低時(shí)間、空間噪聲的新型預(yù)放大電路、采樣/保持和輸出緩沖放大電路，實(shí)現(xiàn)了低噪聲、高均勻性、高線性度的讀出電路?；诖四Ｐ秃徒Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的160×120陣列讀出電路的響應(yīng)線性度在99％以上，時(shí)間噪聲均方根值(RMS，Root

4、Mean Square)為256μV，空間固定圖像噪聲(FPN，F(xiàn)ixedPattem Noise)小于1.5 mV。
　　 2.根據(jù)微測(cè)輻射熱計(jì)探測(cè)器的性能參數(shù)計(jì)算和預(yù)估模型，微測(cè)輻射熱計(jì)偏置電壓的大小直接影響到系統(tǒng)噪聲等效溫差(NETD，Noise Equivalent TemperatureDifference)，為此設(shè)計(jì)了兩線式串行總線(I2C，Inter-Integrated Circuit)接口的低噪聲、高驅(qū)動(dòng)能力1

5、0bits片上數(shù)模轉(zhuǎn)換電路(DAC，Digital-to-Analog Converter)，使偏置電壓能夠根據(jù)微測(cè)輻射熱計(jì)的性能靈活可調(diào)。實(shí)驗(yàn)芯片表明，片上DAC的積分非線性誤差(INL，Integral Nonlinearity)及微分非線性誤差(DNL，DifferentialNonlinearity)均小于1.5LSB，在1～10KHz內(nèi)噪聲電壓值為38.32μV。
　　 3.為了提高器件的封裝性能和降低封裝成本，設(shè)計(jì)了

6、紅外焦平面片上集成溫度傳感器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的溫度傳感器。提出了一種基于動(dòng)態(tài)元件匹配技術(shù)和開關(guān)電容電路的CMOS溫度傳感器電路結(jié)構(gòu)，消除了核心感溫電路的雙極晶體管發(fā)射極面積和電流源的非匹配性誤差，獲得了高精度、高線性度和高靈敏度的溫度傳感電壓信號(hào)。實(shí)驗(yàn)芯片的測(cè)試結(jié)果表明，在-10℃到60℃溫度范圍內(nèi)CMOS溫度傳感器電路的靈敏度為31.07mV/K，線性度在99.95％以上，溫度誤差為0.25℃。
　　 4.由系統(tǒng)NETD的預(yù)估和計(jì)算模

7、型，建立了紅外焦平面片上模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC，Analog-to-Digital)的行為級(jí)設(shè)計(jì)模型。采用自上而下的設(shè)計(jì)方法，經(jīng)過Simulink系統(tǒng)仿真，確定了ADC的具體設(shè)計(jì)參數(shù)。根據(jù)行為級(jí)仿真結(jié)果，采用了13級(jí)每級(jí)1.5bits的流水線結(jié)構(gòu)ADC。設(shè)計(jì)了新型高性能全差分放大器、采用電容失配平均技術(shù)來改善非理想因素對(duì)ADC性能的影響。實(shí)驗(yàn)芯片測(cè)試結(jié)果表明，片上ADC的DNL小于2.5LSB，INL小于4.5LSB，信噪比(SNR，Sig

8、nal-to-Noise Ratio)為75.05dB，在10MHz采樣頻率下功耗為265mW。
　　 5.進(jìn)行了微測(cè)輻射熱計(jì)陣列與讀出電路的單片集成研究，研制出了國內(nèi)首個(gè)單片式帶微橋結(jié)構(gòu)的160×120非制冷紅外探測(cè)器焦平面陣列。在真空封裝環(huán)境下，單片集成紅外焦平面探測(cè)器芯片的響應(yīng)率為3.912mV/K，RMS噪聲電壓為631.5μV，所研制的單片集成的非制冷紅外焦平面在國內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了成像驗(yàn)證，成像效果良好。為進(jìn)一步研制高性能