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大规模高帧频读出电路高速数据传输模型研究

红外技术 2022年第1期44卷 66-72页

作者：叶联华刘煦李云铎黄松垒黄张成中国科学院上海技术物理研究所传感技术联合国家重点实验室上海200083 中国科学院上海技术物理研究所中国科学院红外成像材料与器件重点实验室上海200083 中国科学院大学北京100049

本文针对大规模高帧频读出电路的数字信号输出建立了高速数据传输模型。首先由集总参数模型得到传输电路3 d B带宽及响应时间常数与各器件参数之间的关系,指明了输出级MOS管的尺寸及传输线负载是决定高速时域响应特性的关键参数。进一... 详细信息

本文针对大规模高帧频读出电路的数字信号输出建立了高速数据传输模型。首先由集总参数模型得到传输电路3 d B带宽及响应时间常数与各器件参数之间的关系,指明了输出级MOS管的尺寸及传输线负载是决定高速时域响应特性的关键参数。进一步采用分布参数模型,利用Elmore延时模型更精确地确定了响应时间常数的数学解析式,获得了可使带宽最大化的输出级尺寸的最优设计。仿真结果表明,在典型的64×64面阵功耗和面积约束条件下,优化后传输门和复合逻辑门两种三态传输电路的输出3 dB带宽分别可达293 MHz和395 MHz。

关键词：大规模高帧频读出数据传输模型 Elmore延时模型

基于可编程开窗数字IP核的低功耗红外焦平面读出电路研究

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红外与激光工程 2023年

作者：汪鸿祎陶文刚陆逸凡张永刚黄松垒方家熊中国科学院上海技术物理研究所中国科学院红外成像材料与器件重点实验室上海科技大学中国科学院上海技术物理研究所传感技术联合国家重点实验室中国科学院大学

红外焦平面探测器正朝着更大规模、高帧频、高集成度的方向发展。在高速目标跟踪探测、感兴趣区域成像等应用场景，需要解决高速读出时面临的功耗较高的难点。文中提出了一种数字IC的可编程开窗IP核设计，并通过采用列级分时选通技术，... 详细信息

红外焦平面探测器正朝着更大规模、高帧频、高集成度的方向发展。在高速目标跟踪探测、感兴趣区域成像等应用场景，需要解决高速读出时面临的功耗较高的难点。文中提出了一种数字IC的可编程开窗IP核设计，并通过采用列级分时选通技术，实现对640×512读出电路列模块的超低功耗优化。像素单元电路包含CTIA输入级、双采样保持结构和跟随输出，折衷优化了面积、噪声和增益等因素。相较于传统用门级电路定制设计实现的开窗方式，可编程开窗数字IP核对于不同面阵规格具有良好的可扩展性，并且可以借助后端软件综合优化版图布局，从而缩短设计周期。实际研制中采用0.18μm CMOS工艺完成了中心距15μm的640×512读出电路设计及流片验证，并与640×512元短波红外InGaAs探测器芯片进行了耦合测试，结果表明分时选通技术有效降低了列级电路功耗，电路读出总功耗小于80mW，列级功耗仅为15mW，读出速率达到15MHz，可编程开窗IP核功能正常，可以实现指定区域的开窗功能。

关键词：可编程随机开窗分时选通技术读出电路铟镓砷短波红外

基于SAR ADC的短波红外焦平面数字化读出电路研究

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半导体光电 2023年第1期44卷 39-43页

作者：陶文刚汪鸿祎陆逸凡景松黄松垒方家熊中国科学院上海技术物理研究所传感技术联合国家重点实验室上海200083 中国科学院上海技术物理研究所中国科学院红外成像材料与器件重点实验室上海200083 中国科学院大学北京100049 上海科技大学上海200083

片上集成数字化是红外焦平面的主要发展方向之一,其关键技术是在读出电路内部集成模数转换(ADC)模块。针对线列InGaAs焦平面的数字化需求,采用了一种基于非二进制的冗余位SARADC设计方案。整个读出电路包括读出电路单元和模数转换单元... 详细信息

片上集成数字化是红外焦平面的主要发展方向之一,其关键技术是在读出电路内部集成模数转换(ADC)模块。针对线列InGaAs焦平面的数字化需求,采用了一种基于非二进制的冗余位SARADC设计方案。整个读出电路包括读出电路单元和模数转换单元。读出电路单元采用的是电容跨阻放大器(CTIA)结构,其结构线性度好,注入效率高;模数转换单元采用的是SAR ADC,其结构简单,功耗低。文章采用非二进制校准的方法对CDAC模块进行设计,通过在电容阵列中插入冗余位来提高ADC的转换速度和精度,并使用下极板采样技术来提高采样精度。在0.18μm CMOS工艺模型下,完成了14 bit的SAR ADC的设计。仿真结果表明:在采样率为1 MS/s条件下,SAR ADC的信噪比(SNR)为74 dB,有效位数为13.4 bits。

关键词：读出电路数字化逐次逼近短波红外焦平面

残差时间计数型InGaAs脉冲频率调制数字读出电路研究

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光子学报 2022年第5期51卷 271-278页

作者：王绪泉汪鸿祎张永刚黄松垒方家熊(指导) 中国科学院上海技术物理研究所传感技术联合国家重点实验室上海200083 中国科学院上海技术物理研究所中国科学院红外成像材料与器件重点实验室上海200083 中国科学院大学北京100049

为提高动态范围,提出一种针对InGaAs焦平面电容负反馈放大型输入级的残差时间计数型两步式脉冲频率调制数字读出电路。建立了电容负反馈放大型输入级的脉冲频率调制数字化理论转换模型,分析了积分电容残余电荷和复位遗失电荷引起的转换... 详细信息

为提高动态范围,提出一种针对InGaAs焦平面电容负反馈放大型输入级的残差时间计数型两步式脉冲频率调制数字读出电路。建立了电容负反馈放大型输入级的脉冲频率调制数字化理论转换模型,分析了积分电容残余电荷和复位遗失电荷引起的转换误差和线性度问题。基于0.18μm CMOS工艺设计了线列光谱组件用双积分电容残差时间计数型两步式脉冲频率调制数字化结构,改善了转换误差和线性度,实现了16位粗略转换与最大16位精细转换的融合,为短波红外光谱组件的野外复杂场景应用提供了一种大动态范围的数字读出方案。

关键词：读出电路铟镓砷脉冲频率调制大动态范围数字化

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边积分边读出低噪声红外焦平面读出电路研究

红外与毫米波学报 2011年第4期30卷 297-300,304页

作者：黄张成黄松垒张伟陈郁方家熊中国科学院上海技术物理研究所传感技术联合国家重点实验室上海200083 中国科学院研究生院北京100039

设计了一款低噪声InGaAs焦平面读出电路.提出一种新型相关双采样电路结构,可在边积分边读出模式下有效抑制积分电容(0.15 pF)的KTC噪声.电路经0.5μm 5 V Nwell CMOS工艺流片,测试结果符合设计目标,在高帧频边积分边读出模式下工作状态... 详细信息

设计了一款低噪声InGaAs焦平面读出电路.提出一种新型相关双采样电路结构,可在边积分边读出模式下有效抑制积分电容(0.15 pF)的KTC噪声.电路经0.5μm 5 V Nwell CMOS工艺流片,测试结果符合设计目标,在高帧频边积分边读出模式下工作状态良好,电路噪声约1.7×10-4 V,动态范围大于80 dB.

关键词：红外焦平面读出电路边积分边读出相关双采样

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短波红外InGaAs焦平面噪声特性

红外与毫米波学报 2019年第4期38卷 528-534页

作者：于春蕾李雪邵秀梅黄松垒龚海梅中国科学院上海技术物理研究所传感技术联合国家重点实验室上海200083 中国科学院上海技术物理研究所红外成像材料与器件国家重点实验室上海200083 中国科学院大学北京100049

为研究铟镓砷焦平面的噪声特性,设计了两种不同吸收层掺杂浓度的InGaAs外延材料,采用标准工艺制备了平面型160×128元光敏芯片,并与相同结构的读出电路倒焊耦合形成160×128元焦平面,采用改变积分时间和改变器件温度的方法,测试焦平面... 详细信息

为研究铟镓砷焦平面的噪声特性,设计了两种不同吸收层掺杂浓度的InGaAs外延材料,采用标准工艺制备了平面型160×128元光敏芯片,并与相同结构的读出电路倒焊耦合形成160×128元焦平面,采用改变积分时间和改变器件温度的方法,测试焦平面的信号与噪声.通过研究不同材料参数、器件性能与焦平面噪声的关系,定量分析了短波红外InGaAs焦平面的噪声特性.结果表明,焦平面噪声主要来源于焦平面耦合噪声和探测器噪声,降低InGaAs外延材料吸收层的掺杂浓度,可以有效降低探测器电容,从而降低焦平面的耦合噪声;而探测器噪声由探测器暗电流和工作温度影响,该噪声在长积分时间下决定了焦平面的总噪声水平.实现低暗电流、低电容特性的光敏芯片是降低焦平面噪声的有效途径.

关键词：铟镓砷焦平面噪声特性

延伸波长InGaAs焦平面用低失调电压输入级电路研究

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半导体光电 2015年第6期36卷 884-887页

作者：张雪黄松垒黄张成中国科学院上海技术物理研究所传感技术联合国家重点实验室上海200083 中国科学院大学北京100049

截止波长为2.5μm的延伸波长InGaAs探测器在航天航空遥感等领域有着重要应用。由于晶格失配,相同温度下它的暗电流比截止波长为1.7μm的常规InGaAs探测器高2～3个数量级。从焦平面的耦合接口出发,研究了一种新型的Autozero输入级电路,... 详细信息

截止波长为2.5μm的延伸波长InGaAs探测器在航天航空遥感等领域有着重要应用。由于晶格失配,相同温度下它的暗电流比截止波长为1.7μm的常规InGaAs探测器高2～3个数量级。从焦平面的耦合接口出发,研究了一种新型的Autozero输入级电路,通过大幅降低输入失调电压来减小耦合接口处延伸波长InGaAs器件的偏置电压和暗电流。在CTIA采样反馈回路中设计了一种双电源电压工作的反相器,通过消除开关管两端电压差抑制了非理想开关漏电对采样失调电压的影响。分析了输入端采样电容和失调电压的关系,优化设计后仿真实现了16.5μV的低失调电压。

关键词：延伸波长暗电流失调电压自调零开关漏电流

640×512-5μm InGaAs短波红外焦平面读出电路设计

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半导体光电 2023年第3期44卷 350-355页

作者：陆逸凡汪鸿祎陶文刚曹嘉晟田宇景松黄松垒李雪中国科学院上海技术物理研究所传感技术联合国家重点实验室上海200083 中国科学院上海技术物理研究所中国科学院红外成像材料与器件重点实验室上海200083 中国科学院大学北京100049 上海科技大学上海200083

为了适应第三代红外焦平面高密度、微型化发展方向,设计了一款大面阵小像元低功耗640×512-5μm InGaAs短波红外焦平面读出电路。重点研究了3T像素单元简易结构的性能,分析其对芯片暗电流、焦平面噪声的影响,实现了卷帘曝光工作方式、... 详细信息

为了适应第三代红外焦平面高密度、微型化发展方向,设计了一款大面阵小像元低功耗640×512-5μm InGaAs短波红外焦平面读出电路。重点研究了3T像素单元简易结构的性能,分析其对芯片暗电流、焦平面噪声的影响,实现了卷帘曝光工作方式、列级缓冲器动态工作以及四通道输出功能。利用可编程增益放大器,实现增益可调以及噪声抑制功能。基于0.18μm 3.3 V标准CMOS工艺,在输入时钟频率为5 MHz条件下,对小像素单元进行性能分析,阵列窗口进行四通道输出以及线性度仿真。结果表明,电容反馈跨阻放大器(CTIA)输入级偏压变化约30 mV,工作帧频为54 Hz,输出摆幅为1.7 V,最大功耗小于150 mW,线性度为99.987%。

关键词：小像元红外焦平面阵列读出电路 CTIA结构暗电流

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光谱成像用红外焦平面读出电路研究

半导体光电 2011年第2期32卷 272-275页

作者：张伟黄张成黄松垒方家熊中国科学院上海技术物理所传感器技术国家重点实验室上海200083 中国科学院研究生院北京100039

红外焦平面是光谱成像系统的核心器件。讨论了多光谱用红外焦平面读出电路的特点,设计了用于多光谱成像的64×16元红外焦平面读出电路。读出电路采用CTIA输入级,快照式曝光方式,边积分边读出工作。电路芯片与InGaAs光敏芯片阵列通过铟... 详细信息

红外焦平面是光谱成像系统的核心器件。讨论了多光谱用红外焦平面读出电路的特点,设计了用于多光谱成像的64×16元红外焦平面读出电路。读出电路采用CTIA输入级,快照式曝光方式,边积分边读出工作。电路芯片与InGaAs光敏芯片阵列通过铟柱倒焊的方法,组成混成互连焦平面器件,像元间距50μm,响应波段0.9～1.7μm,盲元率0.2%,半阱时的响应不均匀性4.7%。

关键词：光谱成像技术混成式短波红外焦平面快照式读出电路背照InGaAs探测器