读出电路开窗技术研究

读出电路开窗是红外焦平面和图像传感器读出电路中，用于提高图像帧频降低带宽的重要技术。该技术通过减小读出阵列的窗口尺寸，降低电路读出的数据量，从而提高帧频。介绍了两类主要的开窗模式:异步读出模式和同步读出模式。针对异步读出模式扩展性差、存在竞争冒险的问题，以及同步读出模式占用像元面积和窗口切换速度慢的问题，基于同步读出提出了一种行列控制字架构，并设计了一种用于该架构的可重复单元电路，提高了对不同面阵规格的扩展性。完成了所提出的开窗电路设计和版图设计，并对该电路进行了仿真验证。对比其他方案，文中设计实现了任意位置、最小1×1尺寸的开窗，同时解决了占用像元面积和竞争冒险问题，并提高了窗口切换速度。     

基于分时共享方案的640×512红外读出电路设计

大规模、高集成度的红外焦平面器件是实现高空间分辨率红外成像的核心。针对高集成度的红外焦平面技术发展,文中设计了一款15 m中心距640512的红外焦平面读出电路。为提升器件信噪比和积分时间,提出了一种22四个像元分时复用积分电容共享技术方案,单元采用直接注入（DI）结构作为输入级,使得读出电路最大电荷容量可达20 Me-/像元。电路有两档电荷容量可选,可满足不同光电流信号的读出要求。为了减小噪声的注入及提高缓冲器偏置电流的精度,为信号传输链路设计了相应的偏置电路。电路仿真结果表明,电路帧频108 Hz,功耗低于110 mW,线性度可高达99.99%。电路采用了CSMC 0.18 m 1P4M 3.3 V工艺加工流片,常温测试结果显示电路工作电流正常,偏置开关可控,功能正常。     

小像元10μm中心距红外焦平面读出电路设计

研制出一款小像元10μm中心距红外焦平面探测器CMOS（complementary metal oxide semiconductor）读出电路ROIC（read out integrated circuit）。读出电路设计包括积分后读出（integration then reading,ITR）和积分同时读出（integration while reading,IWR）模式,ITR模式下有2档增益,电荷满阱容量分别为4.3 Me-和1.6 Me-,其他功能包括抗晕、串口功能控制以及全芯片电注入测试功能。读出电路采用0.18μm工艺,电源电压3.3 V,测试结果表现出良好的性能:在77 K条件下,全帧频100 Hz,读出电路噪声小于0.2 mV。本文介绍了该款读出电路设计的基本架构,分析了在小的积分电容下电路抗干扰能力的设计。在测试过程中,发现了盲元拖尾现象,分析了拖尾现象产生的原因,为解决拖尾现象设计了抗晕管栅压产生电路,最后给出了整个电路的测试结果。     

一款多色叠层量子阱红外探测器的读出电路设计

一款完整的红外焦平面探测器主要包含探测器件、读出电路、封装结构和制冷组件。目前根据不同应用场景,探测波段范围不断变宽、探测灵敏度需求提高、成像速度要求加快,对探测器设计提出了更严格、更复杂的指标要求。其中,读出电路将探测光信号转换为电信号传输至系统,是探测器组件的关键核心模块。本文设计了一款对应多色叠层量子阱型器件的红外焦平面探测器读出电路,能够实现同时间、同空间对四波段信号进行探测,并且同时读出,四波段信号的探测积分与读出之间没有互相干扰。探测器规格640×512,像元间距50μm(四波段),各波段信号可实现分时积分、分别可调,采用边积分边读出工作模式,读出帧频可达到四波段探测时≥50 Hz,电路噪声≤05mV,动态范围≥70dB,电功耗≤600mW,是一款超大规模低噪声高帧频的高性能读出电路。     

320×240元非制冷红外焦平面阵列读出电路

采用1.2 μm DPDM n阱CMOS工艺设计并研制成功320×240热释电非制冷红外焦平面探测器读出电路.该读出电路中心距为50 μm,功耗小于50 mW,主要由X、Y移位寄存器、列放大器、相关双采样电路等构成,采用帧积分工作方式.经测试,研制的读出电路性能指标达到设计要求.给出了单元读出电路的电路结构、工作过程和参数测试结果.采用该读出电路和热释电红外探测阵列互联后,获得了良好的红外热像.     

一种300万像素全画幅非制冷红外探测器

研制出一种全画幅QXGA(Quad Extend Graphic Array)非制冷氧化钒红外焦平面探测器。探测器阵列规模达到2048×1536,像元尺寸为17?m×17?m,有效光敏面积约为35 mm×26 mm。读出电路面积达到41.34 mm×39.37 mm,采用8英寸0.18?m 1P6M一版多曝的缝合拼接曝光工艺设计及加工,电路奇偶行同时积分、读出,有效提高像元积分时间。探测像元采用成熟的17?m氧化钒微桥结构,超大面积MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystems)结构采用"多版一曝"、"一版多曝"的组合拼接曝光设计及加工技术。探测器采用高可靠性的标准金属真空封装。测试结果表明,器件的噪声等效温差(NETD)小于45 m K,热响应时间小于7 ms,响应率非均匀性小于8%,器件帧频大于60 Hz。     

边积分边读出低噪声红外焦平面读出电路研究

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0.5 μn5 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1.7×10-4V,动态范围大于80 dB.     

大面阵CMOS快照模式焦平面读出电路设计分析

针对一款大面阵(640×512元)快照模式制冷型红外焦平面用的读出电路进行了初步分析验证.该读出电路采用改进DI结构,先积分后读出的积分控制模式,像素尺寸为25μm×25μm,芯片已在0.5μm双硅双铝(DPDM)标准CMOS工艺下试制.首先对该电路结构及工作原理进行分析,并对输入级等电路的传输特性进行仿真验证,最后给出探测器阵列与读出电路芯片互连后的测试结果.结果表明该读出电路适用于小像素、大规模的红外焦平面阵列.     

超高增益低噪声红外焦平面读出电路研究

高增益探测对InGaAs焦平面探测器在微光夜视条件下成像有重要意义。设计了一款InGaAs焦平面用的高增益低噪声64×64元读出电路。读出电路输入级采用CTIA模式(电容负反馈放大),通过计算发现输入级运算放大器热噪声是主要噪声源,采用单端替代差分运放将输入级噪声降低26%。同时,研究积分电容和增益、满阱容量、噪声的关系,将积分电容降低到1 fF,实现了超高增益和低噪声探测。读出电路采用0.18mm工艺设计,像元中心距为30mm。经过PEX(寄生参数提取)参数提取,实际积分电容为0.94 fF,经过测试芯片整体功耗低至24.1 m W,电路噪声电子数为4.37e。     

基于HgCdTe-APD的32×32主被动成像读出电路

设计了一款基于线性模式下HgCdTe-APD的主被动双模式读出电路。被动模式下通过积分电容进行光信号的强度测量,主动模式下利用两段式TDC进行光子飞行时间(ToF)的标记。TDC采用面阵共享的数字计数器进行粗计数,像元内置时间幅度转换电路(TAC)进行精细测量,同时利用积分电容的切换修正时刻鉴别误差。焦平面阵列规模为32×32,工作温度为77 K,采用标准SMIC 0.18μm CMOS工艺进行电路设计及版图绘制。仿真验证结果显示,电路满阱容量约为7.5 Me^(-),在3.2μs的动态范围ToF分辨率小于0.5 ns,DNL和INL分别在-0.15 LSB~0.15 LSB和-0.2 LSB~0.2 LSB范围内。读出电路帧频为4.5 kHz,功耗小于180 mW。     

三维成像用128×2线性模式APD焦平面探测器设计

设计了一种用于激光三维成像的128×2线性模式APD焦平面探测器,器件包括硅基APD焦平面阵列和读出电路。硅基APD焦平面阵列采用拉通型n⁺-p-π-p⁺结构,像元中心距为150μm,工作在线性倍增模式。读出电路采用单片集成技术,将前置放大电路、TDC计时电路和ADC等功能模块集成在单一硅片上。整个线性模式APD焦平面探测器可实现128×2阵列规模的激光信号并行检测,并采用LVDS串口输出激光脉冲信号的飞行时间信息和峰值强度信息。测试结果显示,该线性模式APD三维成像探测器可同时获取时间信息和强度信息,成像功能正常。     

高光谱成像用高帧频CMOS图像传感器北大核心

针对高帧频、全局曝光和光谱平坦等成像应用需求,设计了一款高光谱成像用CMOS图像传感器。其光敏元采用PN型光电二极管,读出电路采用5T像素结构。采用列读出电路以及高速多通道模拟信号并行读出的设计方案来获得低像素固定图像噪声(FPN)和非均匀性抑制。芯片采用ASMC 0.35μm三层金属两层多晶硅标准CMOS工艺流片,为了抑制光电二极管的光谱干涉效应,后续进行了光谱平坦化VAE特殊工艺,并对器件的光电性能进行了测试评估。电路测试结果符合理论设计预期,成像效果良好,像素具备积分可调和全局快门功能,最终实现的像素规模为512×256,像元尺寸为30μm×30μm,最大满阱电子为400 ke^(-),FPN小于0.2%,动态范围为72 dB,帧频为450 f/s,相邻10 nm波段范围内量子效率相差小于10%,可满足高光谱成像系统对CMOS成像器件的要求。     

一种用于非制冷红外焦平面阵列的低噪声高均匀性读出电路

提出了一种高均匀性低噪声的读出电路,该电路通过抑制非制冷红外焦平面阵列固定模式噪声,从而可实现高质量的红外图像.该电路前端采用了行共享的增益可控NMOS管抑制像元固定模式噪声,同时采用了新型的相关双采样电路抑制列固定模式噪声.在仿真基础上,采用了AMS 0.35μm CMOS工艺完成了16×16像元芯片的制备.对芯片的大量测试结果表明提出的读出电路可以有效地降低非制冷红外焦平面阵列的固定模式噪声,同时具有高均匀性的特点,适用于高性能非制冷红外探测器.     

一种用于非制冷红外焦平面阵列的低噪声高均匀性读出电路（英文）

提出了一种高均匀性低噪声的读出电路,该电路通过抑制非制冷红外焦平面阵列固定模式噪声,从而可实现高质量的红外图像.该电路前端采用了行共享的增益可控NMOS管抑制像元固定模式噪声,同时采用了新型的相关双采样电路抑制列固定模式噪声.在仿真基础上,采用了AMS 0.35μm CMOS工艺完成了16×16像元芯片的制备.对芯片的大量测试结果表明提出的读出电路可以有效地降低非制冷红外焦平面阵列的固定模式噪声,同时具有高均匀性的特点,适用于高性能非制冷红外探测器.     

基于可编程开窗IP核的低功耗读出电路研究EI北大核心CSCD

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标准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80 mW,列级功耗仅为15 mW,读出速率达到15 MHz,可编程开窗IP核功能正常,可以实现指定区域的开窗功能。     

光谱成像用红外焦平面读出电路研究

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%。     

高动态范围多功能快照式红外读出电路设计

设计并验证了一款高动态范围、多种可选功能的32×32红外读出电路。电路在30μm×30μm像元面积内集成了CTIA积分器、采保电路、缓冲器、反饱和功能等,实现了快照式读出。通过积分电容可选,积分时间可从1μs调至33ms(以30Hz帧频计算)的工作方式,有效地扩大系统动态范围,使其具备高低背景工作能力。基于格雷码原理设计的控制电路,实现了动态窗口读出,图像翻转,1、2、4路输出等可选功能。所设计的读出电路采用华虹NEC0.35μmCMOS工艺成功流片,验证了设计的正确性。测试结果表明,电路采用4路输出时,帧频能达到16kFrames/sec,可应用于红外制导领域。     

多功能红外焦平面读出电路设计

主/被动成像系统具备多种成像模式,集成度高、成本低、系统运行效率高,应用前景良好。设计了一种64×64规模的多功能红外焦平面阵列读出电路,在30 μm像元中心距的限制下实现了日光标准成像、微光成像、异步激光脉冲检测和二维激光测距四种成像功能。基于TSMC 0.35 μm工艺,完成了多功能读出电路的芯片设计与流片验证。电路复用设计和像素共享架构显著降低了版图面积。CTIA的T型开关有效减小漏电流,改善了红外被动成像电路的动态范围,高增益模式下动态范围达60 dB,低增益模式下动态范围达68 dB。并且满阱电荷容量分别为203 ke?和1.63 Me?。三级push-pull运放和MOS反馈电阻使RTIA兼具高增益和小尺寸。芯片测试结果表明,电路具备主/被动成像功能,性能良好,可应用于红外焦平面激光雷达成像系统。     

320×256大电荷容量的长波红外读出电路结构设计

长波红外探测器存在暗电流大、背景高的特点,需要设计大电荷容量的读出电路。采用分时共享积分电容的电路结构,在面阵焦平面的有限单元面积中设计了一种高读出效率、大电荷容量的320256长波红外焦平面读出电路。电路输入级采用电容反馈跨阻放大器（CTIA）结构,具有注入效率高、噪声低、线性度好的特点。基于CSMC 0.35 m标准CMOS工艺模型进行了模拟仿真以及版图设计完成后的后端仿真,电路输出电压范围大于2 V,非线性小于1%,帧频为100 f/s,采用分时共享积分电容电路结构后,像元有效电荷容量达到57.5 Me-/像元。     

用于红外焦平面阵列的等效像元电路设计

提出了一种用于300×400红外焦平面阵列读出电路的等效像元电路结构。该电路与氧化钒(VOx薄膜)制成的微机械系统(MEMS)的电特性等效,并能够模拟MEMS像元改变时支路电流的变化。红外面阵探测器读出电路在流片后,生长MEMS物理结构(VOx薄膜)前,该等效像元电路结构用于读出电路的电性能测试,从而剔除不良品,减少封装成本。该电路采用了Global Foundry 0.35μm工艺设计并流片。测试结果表明,当积分电流为0~200nA时,该等效像元电路的电性能与MEMS像元一致。