氧化钒非制冷红外焦平面探测器读出电路设计

作     者：俞白军 

作者单位：东南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：常昌远;郭俊

授予年度：2018年

学科分类：080901[工学-物理电子学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 080401[工学-精密仪器及机械] 0804[工学-仪器科学与技术] 0803[工学-光学工程] 

主      题：读出电路 成像系统 自加热效应 非均匀性校正 

摘      要：氧化钒非制冷红外焦平面阵列成像系统,在军事和民用领域都有广泛的应用。它由红外探测器和读出电路构成,其中读出电路作为连接红外探测器和图像信号处理的重要部分,其性能的好坏直接制约着整个成像系统的性能指标。本文研究氧化钒非致冷红外焦平面阵列的读出电路的设计。主要工作如下:1.分析了微测辐射热计的工作原理和电学特性以及氧化钒热敏电阻的基本特性,总结了读出电路的基本架构,并分析各自的优缺点,根据实际要求选择了电容反馈跨阻抗放大器结构。2.论述了探测器和读出电路的主要噪声源,分析了噪声的成因,以及噪声处理方法。3.详细阐述了各核心模拟数字子模块的设计、数字时序的控制方式、模拟系统的构成。4.采用片上调节像元偏压的非均匀校正的方式来消除由于工艺、材料、偏置等情况的非均匀性而产生的输出的不一致性。5.输出缓冲器上采用的分级处理方式,相对于只采用一个缓冲器,本方式降低了缓冲器的工作速度、缩短了稳定时间、降低了功耗。6.设计冗余结构,所有在后期晶圆上再加工的探测器电阻和偏置电阻都有可能会坏,通过冗余结构,可以修复坏列,从而提高生产的良率。7.设计抵消探测器的自加热效应的电路,探测器在通电以后产生电流,自身就会发热,而探测器本身就是一个热敏电阻,自身发热后产生的能量会被算进红外接收的能量中,使输出不能完全反应出实际红外接收的真实能量,产生偏差,通过补偿抵消电路来解决此问题,让最终成像更完美。8.对于产品级芯片设计,增加了时钟检测电路和欠压保护电路来降低芯片的失效风险。在此基础上,采用CSMC(华润上华)的6S05DPTM工艺,通过大量的模拟和仿真,以简单、实用、稳定、噪声小、功耗小的CMOS读出电路结构为目标,设计了一款384×288的红外焦平面读出电路,最终实现的主要性能指标为:等效噪声温差64mK,功耗198mW,动态范围0.5.5V,帧频60Hz。本文为设计更大规模、更高性能的读出电路奠定了基础。