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紫外光电探测器微弱电流信号读出电路设计

紫外光电探测器微弱电流信号读出电路设计

作者：张磊东南大学

学位级别：硕士

光电检测技术是利用光电传感器实现微弱信号测量并成像的新兴技术,因紫外光在自然界中具有背景噪声小、抗干扰能力强和选择性好等特点,紫外光检测技术在军事、航天、工业和医学等方面已获得广泛的应用。随着材料技术和第三代半导体探测... 详细信息

光电检测技术是利用光电传感器实现微弱信号测量并成像的新兴技术,因紫外光在自然界中具有背景噪声小、抗干扰能力强和选择性好等特点,紫外光检测技术在军事、航天、工业和医学等方面已获得广泛的应用。随着材料技术和第三代半导体探测器的发展,紫外光电探测（Ultraviolet photoelectric detection）技术获得巨大进步,并对读出电路（Readout Integrated Circuit,ROIC）提出了更高的性能需求,高集成度、宽动态范围（Wide dynamic range）和高线性度是紫外读出电路的重要发展方向。本文基于第三代紫外半导体探测器设计了一款高线性度、宽动态范围的微弱电流信号读出电路。通过自动增益切换（Gain switching）的方式,将10p A～1m A的光电流信号平均分为四个档位进行分段响应处理。基于电容反馈跨阻放大器（Capacitive Transimpedance Amplifier,CTIA）的积分电路可为探测器提供稳定偏压,并具有高注入效率、低非线性的优点。在积分电容固定的条件下,时序控制电路通过调节积分时间改变其跨阻增益,完成前三档电流的积分放大。当进入档位四的大电流检测时,采用低增益的缓冲栅调制电路处理。通过上述方法,控制增益与感应电流相匹配,实现了微弱光电流的分档位精确检测,提高了测量动态范围和输出的线性度。最后通过先积分后读出（Integrate Then Readout,ITR）的方式,利用双通道的相关双采样（Correlated Double Sampling,CDS）电路将检测电压采样并输出,有效减小了复位噪声和KTC噪声,提高了信噪比。基于TSMC 0.18μm标准CMOS工艺,完成了2×2阵列系统电路及版图设计与后仿真验证。读出电路的整体版图面积为370×800μm,芯片测试结果表明,在5V的电源电压和25℃的条件下,线性输出摆幅为3V,CTIA满阱容量为3.72Me-,四档增益模式的总动态范围达到了140d B,实现了对100p A～1m A光电流的精确放大和采样输出,各个增益模式下的平均线性度超过了98%,最低线性度为97.21%,阵列电路实际功耗为54.8m W。

关键词：紫外光电探测读出电路增益切换宽动态范围电容反馈跨阻放大器

1024×1024 AlGaN紫外焦平面读出电路的超低功耗设计

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同方学位论文库

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红外与激光工程 2020年第5期49卷 163-169页

作者：谢晶李晓娟张燕李向阳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重点实验室上海200083

提出了一种新型的超低功耗读出电路用于18μm中心距1 024×1 024面阵规模的AlGaN紫外焦平面。为了实现低功耗设计紫外焦平面读出电路,采用了三种设计方法,包括:电容反馈跨阻放大器CTIA结构采用工作在亚阈值区的单端输入运算放大器,列像... 详细信息

提出了一种新型的超低功耗读出电路用于18μm中心距1 024×1 024面阵规模的AlGaN紫外焦平面。为了实现低功耗设计紫外焦平面读出电路,采用了三种设计方法,包括:电容反馈跨阻放大器CTIA结构采用工作在亚阈值区的单端输入运算放大器,列像素源随缓冲器和电平移位电路共用同一个电流源负载以及列级缓冲器的分时尾电流源设计。由于像素单元内CTIA采用了单端输入运算放大器,在3.3 V供电电压下,每个像素单元最小工作电流仅8.5 nA。该读出电路设计了可调偏置电流电路使读出电路能得到更好的性能并基于SMIC 0.18μm 1P6M混合信号工艺平台进行了设计制造。测试结果表明:由于采用了上述设计方法,整个芯片的功耗在2 MHz时钟8路输出模式下仅67.3 mW。

关键词：读出电路紫外焦平面超低功耗电容反馈跨阻放大器

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二极管型非制冷红外探测器的前端电路设计

红外与激光工程 2016年第1期45卷 149-154页

作者：赵国芬赵毅强赵公元张志恒郭肇敏天津大学电子信息工程学院专用集成电路设计中心天津300072 航天海鹰光电信息技术有限公司天津300192

设计了一种二极管型非制冷红外探测器的前端电路,该电路采用Gm-C-OP积分放大器的结构,将探测器输出的微弱电压信号经跨导放大器（OTA）转化为电流信号,再经电容反馈跨阻放大器（CTIA）积分转化为电压信号输出。该OTA采用电流反馈型结构... 详细信息

设计了一种二极管型非制冷红外探测器的前端电路,该电路采用Gm-C-OP积分放大器的结构,将探测器输出的微弱电压信号经跨导放大器（OTA）转化为电流信号,再经电容反馈跨阻放大器（CTIA）积分转化为电压信号输出。该OTA采用电流反馈型结构,可以获得比传统OTA更高的线性度和跨导值。输入采用差分结构,可以有效地消除环境温度及制造工艺对探测器输出信号的影响。电路采用0.35μm CMOS工艺进行设计并流片,5 V电源电压供电。Gm-C-OP积分放大器总面积0.012 6 mm2,当输入差分电压为0~5 m V时,测试结果表明：OTA跨导值与仿真结果保持一致,Gm-C-OP积分放大器可实现对动态输入差分信号到输出电压的线性转化,线性度达97%,输出范围大于2V。

关键词：跨导放大器电容反馈跨阻放大器 Gm-C-OP积分放大器

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红外探测器高性能读出电路的研究

红外与激光工程 2009年第5期38卷 787-791页

作者：姜俊伟赵毅强孟范忠郭莹天津大学电子信息工程学院专用集成电路设计中心天津300072

设计了一种高性能电容反馈跨阻放大器(CTIA)与相关双采样电路(CDS)相结合的红外探测器读出电路。该电路采用CTIA电路实现对微弱电流信号的高精度读出,并通过CDS电路抑制CTIA引入的固定模式噪声(FPN),最后采用失调校正技术减小CDS引入的... 详细信息

设计了一种高性能电容反馈跨阻放大器(CTIA)与相关双采样电路(CDS)相结合的红外探测器读出电路。该电路采用CTIA电路实现对微弱电流信号的高精度读出,并通过CDS电路抑制CTIA引入的固定模式噪声(FPN),最后采用失调校正技术减小CDS引入的失调,从而减小了噪声对电路的影响,提高了读出电路的精度。采用特许半导体(Chartered)0.35μm标准CMOS工艺对电路进行流片,测试结果表明:在20pA～10nA范围内该电路功能良好,读出精度可达10bit以上,线性度达97%,达到了设计要求。该读出电路可用于长线列及面阵结构红外探测系统。

关键词：电容反馈跨阻放大器相关双采样电路固定模式噪声失调校正技术

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640×512焦平面读出电路设计

半导体光电 2014年第5期35卷 777-781页

作者：李毅强刘昌举祝晓笑重庆光电技术研究所重庆400060

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... 详细信息

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。

关键词：焦平面读出电路电容反馈跨阻放大器隔行扫描随机开窗

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长线列CMOS图像传感器的性能优化设计

半导体光电 2021年第1期42卷 52-56页

作者：徐星陈永平陈世军袁红辉王欣中国科学院上海技术物理研究所红外成像材料与器件重点实验室上海200083

设计了一种基于电容反馈跨阻放大器(CTIA)的长线列CMOS图像传感器。为减小器件功耗和面积,采用基于单端四管共源共栅运算放大器。为提高信号读出速率,采用没有体效应的PMOS源跟随器,同时减小PMOS管的宽长比,有效减小了输出总线寄生电容... 详细信息

设计了一种基于电容反馈跨阻放大器(CTIA)的长线列CMOS图像传感器。为减小器件功耗和面积,采用基于单端四管共源共栅运算放大器。为提高信号读出速率,采用没有体效应的PMOS源跟随器,同时减小PMOS管的宽长比,有效减小了输出总线寄生电容的影响。在版图设计上,采用顶层金属走线,降低寄生电阻和电容,提高了长线列CMOS图像传感器的读出速率和输出线性范围。采用0.35μm 3.3V标准CMOS工艺对传感器进行流片,得到器件像元阵列为5×1 030,像元尺寸为20μm×20μm。测试结果表明:该传感器在积分时间为1ms、读出速率为4MHz的情况下工作稳定,其线性度达到98%,线性动态范围为76dB。

关键词： CMOS图像传感器电容反馈跨阻放大器体效应读出速率寄生电容

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常温太赫兹检测器CMOS读出电路设计

常温太赫兹检测器CMOS读出电路设计

作者：王春东南大学

学位级别：硕士

近年来,太赫兹检测和成像技术在物理、天文、生物和信息等多个领域都具有广阔的应用前景。而读出电路作为太赫兹检测器的核心部件,对整个检测与成像系统的性能至关重要,因此其设计研究一直是当前热点。本文以NbN微测辐射热计为太赫兹检... 详细信息

近年来,太赫兹检测和成像技术在物理、天文、生物和信息等多个领域都具有广阔的应用前景。而读出电路作为太赫兹检测器的核心部件,对整个检测与成像系统的性能至关重要,因此其设计研究一直是当前热点。本文以NbN微测辐射热计为太赫兹检测器,采用TSMC 0.18μm CMOS工艺,对4×4阵列读出电路进行系统设计,以便为后续大规模阵列读出电路的工作开展作参考。本文设计的阵列读出电路主要由电容反馈跨阻放大器、带隙基准、相关双采样电路、开关电容放大器和时序电路构成。为实现微弱太赫兹信号的检测,本文采用电容反馈跨阻放大器作为前端读出电路,通过调节积分电容的大小可获得较高的跨阻增益,同时该结构还具有较低的噪声和较高的动态范围等优点,其核心运放则采用两级级联结构以实现较高的增益和较大的输出摆幅;为提高系统的完整性,部分偏置电压由内部带隙基准电路产生;为提高电路的信噪比,采用相关双采样技术减小直流失调、低频噪声和KTC噪声等;为抑制列KTC噪声和列固定图形噪声,采用开关电容放大器作为输出级,并为后级ADC转换提供稳定的直流电平;为满足成像需求,设计4×4阵列读出电路的系统架构和时序控制电路,并采用复接器将低速数字信号复接为一路高速数字信号输出,从而减少引出焊盘的数量。整个电路的芯片面积为1.9mm×1.2mm,后仿真结果表明:当电源电压为1.8V,输入主时钟为1MHz时,在tt工艺角下,读出电路能够检测信号的动态范围约为50dB,并且输出具有较好的线性度;读出帧率为49Hz,单个像素功耗约为0.94mW,适用于大规模阵列读出电路的实现。

关键词：太赫兹读出电路微测辐射热计电容反馈跨阻放大器相关双采样

一种应用于紫外探测系统的宽动态范围读出电路设计

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一种应用于紫外探测系统的宽动态范围读出电路设计

作者：杨凯东南大学

学位级别：硕士

紫外探测系统具有光谱响应集中、噪声低等优点,在军事和民用领域备受关注。作为紫外探测系统的重要组成部分,读出电路(Read-Out Integrated Circuit,ROIC)在系统中主要完成探测器的偏压设置、信号转换、采样和输出等功能。随着紫外探测... 详细信息

紫外探测系统具有光谱响应集中、噪声低等优点,在军事和民用领域备受关注。作为紫外探测系统的重要组成部分,读出电路(Read-Out Integrated Circuit,ROIC)在系统中主要完成探测器的偏压设置、信号转换、采样和输出等功能。随着紫外探测系统的高速发展,对读出电路的要求日益提高。高灵敏度、宽动态范围、低噪声是读出电路未来主流发展方向之一。本文基于实际应用需求,根据新型氧化锌(Zn O)紫外探测器的等效电路模型,设计了一种高线性度、大输出摆幅、宽动态范围的ROIC。采用四档增益切换的策略,在档位控制电路作用下,可以根据输入光电流大小自动调整增益。电容反馈跨阻放大器(Capacitive Transimpedance Amplifier,CTIA)电路和改进型栅调制电流镜电路相结合构成复合型电路输入级,CTIA结构包含两个反馈电容,用于小电流检测中,具有注入效率高、偏压稳定等特点,同时为了提升检测小电流能力,提出积分电容与限带电容分时共用的方式,有效提高了输出信噪比。改进型栅调制电流镜电路用于大电流检测,运放与CTIA共用,通过电流镜将电流信号放大,增益可自动调整,有效扩展了动态范围。同时,本文分析了读出电路的工作方式和时序控制,提出了先复位再切换的工作方式,有效提升了检测精度。基于TSMC 0.35μm CMOS工艺在Cadence平台完成了阵列规模2×2的宽动态范围ROIC系统电路和版图设计,完成电路全部性能的前后仿真验证,并进行MPW流片。芯片测试结果表明,系统功能正常,在常温和5V电源电压下,积分/响应周期为1ms,各段的线性度均在97%以上,最小线性输出摆幅为2.95V,芯片平均电流功耗3.481m A。但由于测试条件限制、噪声和寄生参数等影响,电路的噪声性能相比仿真结果有明显衰减,动态范围为146.02d B,有效电流检测范围50p A～1m A,与仿真存在一定的差距,本文对测试中的非理想效应的性能衰减进行了详细的分析,并为后续电路的设计改进提出了可行性建议。

关键词：动态范围读出电路增益切换电容反馈跨阻放大器栅调制电流镜

1280×1024-25μm多功能红外读出电路设计

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1280×1024-25μm多功能红外读出电路设计

作者：宋歌东南大学

学位级别：硕士

红外成像技术是军事领域获取信息的主要技术之一,同时也广泛应用于民用领域。红外焦平面阵列是红外成像技术中的核心光电器件,由红外探测器阵列和红外读出电路组成;其中,红外读出电路直接影响成像的质量,极为关键。我国红外读出电路研... 详细信息

红外成像技术是军事领域获取信息的主要技术之一,同时也广泛应用于民用领域。红外焦平面阵列是红外成像技术中的核心光电器件,由红外探测器阵列和红外读出电路组成;其中,红外读出电路直接影响成像的质量,极为关键。我国红外读出电路研究起步较晚,目前涉及大规模读出电路的研究和设计更少,因此设计一款大规模的红外读出电路具有较为重要的意义。本文设计了一款1280 1024-25μm大规模、多功能的CMOS读出电路,适用于光伏型短波红外探测器。首先,通过调研红外读出电路的研究成果,了解国内外的研究现状和读出电路阵列规模增大面临的困难,确定读出电路的整体架构。其次,研究各种输入级的性能特点,根据短波红外探测器的特点和读出电路高动态范围的要求,选取注入效率高的电容反馈跨阻放大器型输入级（CTIA）作为读出电路的输入级;改进CTIA型像素单元的电路结构,积分电容可以根据背景强度选择合适的电容值,使得读出电路适用于更宽的背景强度范围。再次,将列输出总线分割为16组,缩短列输出总线上信号的建立时间,简化输出控制电路的时序设计。最后,设计行选择电路、列选择电路等数字控制电路和整体电路工作时序,实现任意尺寸开窗、读出顺序选择的视窗选择功能和四通道输出、八通道读出切换的多通道输出功能,并通过仿真对各功能进行验证。本文基于中芯国际0.18μm、5V数模混合工艺,完成了读出电路原理图的设计、仿真和关键模块版图的设计。根据后仿真结果,读出电路在10MHz的输出速率下,输出摆幅为3.1V,线性度为99.69%,动态范围为81.26d B,八通道输出的功耗为566.94m W,达到设计指标的要求。

关键词：红外焦平面阵列 CMOS读出电路电容反馈跨阻放大器多通道输出