非制冷紅外焦平面讀出電路的研究.pdf

1、與制冷型紅外探測器相比，非制冷紅外探測器在系統(tǒng)成本、重量、功耗和可靠性等方面都具有明顯優(yōu)勢。因此，非制冷紅外焦平面陣列已成為當代紅外技術領域的研究前沿，正主導著下一代紅外和相關科學技術的發(fā)展，非制冷紅外成像技術已經(jīng)成為各國正在研究的熱點之一。
　　 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計，提出了一套基于微測輻射熱計單元性能的自上而下的低噪聲讀出電路集成設計模型，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)微測輻射熱計的光學、熱學、電學物理特性，對其進行了電學等效，并得到了其響應、信噪比和系統(tǒng)性能的預估模型；在此基礎上采用電容負反饋運算放大器(CTIA，Capacitive Feedback Transimpedance Amplifier)作為預放大電路；根據(jù)微測輻射熱計

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器性能的計算模型。采用斬波穩(wěn)定(CHS，Chopper Stabilization)和相關雙采樣(CDS，Correlated Double Sampling)技術設計了低時間、空間噪聲的新型預放大電路、采樣/保持和輸出緩沖放大電路，實現(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)設計的160×120陣列讀出電路的響應線性度在99％以上，時間噪聲均方根值(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)微測輻射熱計探測器的性能參數(shù)計算和預估模型，微測輻射熱計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)，為此設計了兩線式串行總線(I2C，Inter-Integrated Circuit)接口的低噪聲、高驅(qū)動能力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)微測輻射熱計的性能靈活可調(diào)。實驗芯片表明，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，設計了

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。提出了一種基于動態(tài)元件匹配技術和開關電容電路的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。實驗芯片的測試結(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的預估和計算模

7、型，建立了紅外焦平面片上模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC，Analog-to-Digital)的行為級設計模型。采用自上而下的設計方法，經(jīng)過Simulink系統(tǒng)仿真，確定了ADC的具體設計參數(shù)。根據(jù)行為級仿真結(jié)果，采用了13級每級1.5bits的流水線結(jié)構(gòu)ADC。設計了新型高性能全差分放大器、采用電容失配平均技術來改善非理想因素對ADC性能的影響。實驗芯片測試結(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.進行了微測輻射熱計陣列與讀出電路的單片集成研究，研制出了國內(nèi)首個單片式帶微橋結(jié)構(gòu)的160×120非制冷紅外探測器焦平面陣列。在真空封裝環(huán)境下，單片集成紅外焦平面探測器芯片的響應率為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)首次實現(xiàn)了成像驗證，成像效果良好。為進一步研制高性能