大面阵非制冷红外探测器读出电路关键技术研究

作     者：闵道刚 

作者单位：电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：吕坚

授予年度：2021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：非制冷红外探测器 读出电路 大阵列 小像元 非均匀性 

摘      要：随着非制冷红外探测器技术水平的不断提高,对其功能和性能的要求也越来越高。非制冷红外焦平面探测器正朝着更大阵列、更小像元、更高速度、更高集成度的方向发展,其阵列的像元规模已由1K、10K发展到100K、1M甚至百M量级,而功耗随着阵列规模的增大而迅速增加;当像元数量迅速增加的同时,阵列的非均匀性问题以及干扰问题使得探测器成像的质量急剧下降,图像失真;并且由于像元面积的缩小,非制冷红外探测器读出电路的物理实现空间也随之压缩,如何设计满足小像元尺寸和大面阵的读出集成电路成为了设计者面临的新问题。读出电路的性能直接影响非制冷红外焦平面探测器的成像质量,为了实现大面阵非制冷红外焦平面探测器高质量成像的目的,本文对其专用读出电路的关键技术进行了研究,主要包括:大面阵读出电路的高集成度数字化技术、非均匀性校正技术以及低功耗数字控制技术等。论文的主要研究内容和成果如下综述:1、大面阵读出电路的高集成度数字化技术。根据大面阵非制冷红外探测器读出电路的设计指标,确定了读出电路系统的时钟方案:系统主时钟周期为3ns,最大行扫描时间为31.5μs,列选时钟为42ns,数字输出时钟为3ns;提出了一种适用于大面阵非制冷微测辐射热计型焦平面的高集成度的低功耗、低噪声数字化列级读出电路;并且设计了列级低功耗高速比较器,采用电压比较器的尾电流增强支路,只增加了比较器翻转时的瞬态功耗,比较器的延时小于0.5 ns,平均电流仅为7.26μA。2、大面阵读出电路的片上非均匀性校正技术。研究了非均匀性的来源以及非均匀性校正技术,提出了片上非均匀性校正电路,通过采用两个片上DAC调节的方式来实现片上关于探测器像元的偏移和增益的非均匀性校正;设计了采用“4+4分段模式的8位电压按比例缩放型DAC电路,其DNL和INL的仿真结果分别为-0.3LSB～+0.4LSB和-0.5LSB～+0.6LSB。同时,为了更好地实现探测器输出信号与衬底温度无关,提出了精确获取探测器衬底温度的方案,设计了片上高精度温度传感器电路,当温度由-40℃变化到125℃时,温度传感器电路的输出电压响应为0.90105V～3.16808V,即温度响应率为13.74m V/K,并且其线性度为99.99%。3、大面阵读出电路的低功耗数字控制技术。为了缩短设计周期和成本,提高读出电路的智能化和可靠性,采用基于数字单元标准库进行数字控制电路的半定制设计方法,设计了读出电路的智能化数字控制电路并进行了低功耗优化;实现了片外信号的高速输入,片上像元逐点非均匀性校正以及数字化信号的输出。4、进行了数模混合总体仿真:当目标温度变化100K时,该读出电路的平均响应率为55.99code/K;室温下单通道列级读出电路功耗为99.96μW,对于1280×1024阵列规模大面阵红外焦平面读出电路系统,总功耗为272.89mW。