红外焦平面器件的信息获取电路技术

红外焦平面阵列器件是现代红外成像系统的关键器件，它包括红外探测器阵列和读出电路两部分。其信号获取电路是处理焦平面输出信号的部分，主要指与读出电路接口的放大电路。本文主要综合了红外焦平面器件的信息获取电路及其相关技术，并就其中的关键技术进行简要分析。     

单光子探测器SPICE模型及主被动混合淬灭电路研究

单光子雪崩光电二极管(SPAD)是目前激光测距领域常见的单光子探测器。针对SPAD在单光子探测应用中的高速淬灭问题,设计了一种可以快速淬灭雪崩电流、缩短偏置电压恢复时间的主被动混合淬灭电路。根据实际使用的SPAD器件相关性能参数,建立了SPAD的SPICE模型;使用被动淬灭电路对该模型进行验证,证实了该模型的准确性和实用性;结合SPICE模型,通过计算机仿真技术对主被动混合淬灭电路进行了参数调整和功能验证。结果表明,所设计电路的淬灭时间和恢复时间分别达到200和400ps,满足单光子激光测距的应用需求。该混合淬灭电路结构简单,可以用于全集成单光子阵列探测器的相关研究。     

一种大面阵红外焦平面阵列读出电路的设计方法

论文提出了一种可用于大面阵红外焦平面阵列的智能化读出电路的设计方法,所设计的读出电路具有放大、读出、片上模数转换以及智能控制等功能。论文主要介绍该面阵电路的组成结构、核心电路的工作原理、电路的仿真方法和结果。通过对该面阵读出电路进行版图设计、流片和性能测试,得到了符合设计要求的面阵规模为128X128的大面阵红外焦平面阵列智能读出电路。     

微测辐射热计阵列读出电路的单片集成设计

微测辐射热计阵列读出电路的单芯片集成,有利于红外焦平面阵列的智能化和红外成像系统的便携化发展.提出了一种非致冷红外焦平面阵列读出电路,基于SMIC 0.18 μmCMOS工艺,采用CTIA型单元读出电路结构,实现了偏置模块、驱动信号源模块、电流积分模块、相关双采样模块(CDS)和缓冲输出模块的单芯片集成,成功制造了1×8读出电路原型.仿真结果表明,设计的读出电路的线性度大于99％,功耗小于5 mW,适合于大面阵移植.     

红外焦平面读出电路辐射特性研究

红外焦平面阵列在宇宙空间中使用时,受到各种辐射导致性能退化甚至功能失效。作为红外焦平面阵列的重要组成部分,CMOS读出电路受到各种辐射主要体现为电离辐射效应。通过对红外焦平面CMOS读出电路进行空间模拟辐射实验后,测试读出电路的功能以及性能参数,研究了辐射对读出电路的影响。实验结果为红外焦平面CMOS读出电路的抗辐射设计提供了参考依据。     

二极管原理非制冷红外焦平面阵列的集成设计

面向非制冷红外成像的低成本高性能应用,二极管原理的红外焦平面阵列的设计和工艺实现得到研究和发展.焦平面和读出电路的设计集成以及CMOS和MEMS工艺集成是此项技术的研究重点.基于SOI的二极管原理焦平面阵列在低成本的利用CMOS工艺实现大规模阵列集成方面有很大的优势.读出电路是基于标准CMOS工艺进行设计的.320×2...     

InGaAs单光子雪崩焦平面研究进展（特邀）

雪崩光电二极管（APD）是一种高灵敏度光电器件。按照工作电压的不同可分为线性APD和盖革APD。其中,盖革APD的工作电压高于击穿电压,利用半导体材料内部载流子的高雪崩增益可实现单光子级信号探测,也被称为单光子雪崩光电二极管（SPAD）。InGaAs材料SPAD在0.9~1.7 μm光谱范围内有高量子效率,是1.06、1.55 μm主动激光探测的理想探测器。通过将高效率InGaAs SPAD阵列芯片与CMOS计时/计数读出电路芯片集成封装,制备的雪崩焦平面探测器可对光子信号进行时间量化,在三维激光雷达、远距离激光通信、稀疏光子探测等领域有广泛应用。介绍了InGaAs单光子雪崩焦平面的器件结构及基本原理,在此基础上回顾了国内外雪崩焦平面技术的研究进展,并对未来发展方向进行了展望。     

InGaAs/InP盖革模式雪崩焦平面阵列的研制

设计制作了一种由InGaAs/InP雪崩光电二极管阵列与时间计数型CMOS读出电路组成的8×8阵列规格盖革模式雪崩焦平面阵列(GM APD FPA).雪崩光电二极管采用SAGCM结构,在盖革模式下工作具有单光子探测灵敏度;时间计数型CMOS读出电路在每个单元获取光子飞行时间,实现纳秒级的时间分辨率,并完成雪崩淬灭功能.测试结果表明,倒装混合集成的GM APD FPA器件暗计数率(DCR)均值为32.5 kHz,单光子探测效率(PDE)均值为19.5％,单元时间抖动为465 ps,实现了光脉冲时间信息的探测,验证了盖革模式雪崩焦平面阵列技术及其在三维成像中应用的可行性.     

集成化离子敏场效应传感器的研究进展

在介绍离子敏场效应晶体管（ISFET）传感器的应用和基本工作原理的基础上,阐述了集成化ISFET传感器的研究现状,包括ISFET敏感膜及其制造工艺与CMOS兼容性研究、集成化读出电路、多传感器集成等方面。展望了ISFET传感器的研究趋势,认为在以下方面值得探索和研究：敏感膜是把化学变量转换为电学变量的关键;高性能读出电路的研究;集ISFET、读出电路及后端信号处理电路于一体的低功耗ISFET传感器的系统集成;多功能、智能化的多传感器集成;研究集微传感器、微执行器、信号处理和控制电路、接口电路、通信系统以及电源等于一体的微机电系统（MEMS）;ISFET微传感系统的数字化集成等。     

集成化离子敏场效应传感器的研究进展

在介绍离子敏场效应晶体管(ISFET)传感器的应用和基本工作原理的基础上,阐述了集成化ISFET传感器的研究现状,包括ISFET敏感膜及其制造工艺与CMOS兼容性研究、集成化读出电路、多传感器集成等方面。展望了ISFET传感器的研究趋势,认为在以下方面值得探索和研究:敏感膜是把化学变量转换为电学变量的关键;高性能读出电路的研究;集ISFET、读出电路及后端信号处理电路于一体的低功耗ISFET传感器的系统集成;多功能、智能化的多传感器集成;研究集微传感器、微执行器、信号处理和控制电路、接口电路、通信系统以及电源等于一体的微机电系统(MEMS);ISFET微传感系统的数字化集成等。     

单光子探测InGaAs雪崩焦平面像素级高分辨率低误码时间数字转换电路

单光子探测在量子信息、生物医学、激光雷达成像等领域具有重要应用前景,InGaAs盖革雪崩焦平面具有单光子探测灵敏度,通过计量光子飞行时间实现距离探测,时间数字转换精度决定整个探测系统的测距精度,是近年来单光子探测领域的研究热点。设计了一款64×64面阵型像素级高分辨低误码时间数字转换阵列电路（Time to Digital Converter, TDC）,采用局部共享型高中低三段式异步周期TDC结构。低段位TDC全阵列共享,基于压控延迟链（Voltage Control Delay Line, VCDL）分相时钟实现亚纳秒计时;中高段位每个像素独享,中段位采用分频计数器降低时钟频率,降低阵列整体功耗,高段位采用线性反馈移位寄存器实扩展计时量程并实现计时、数据存储、输出一体化。采用延迟采样方案显著降低了因段间计数时钟不匹配导致的数据锁存误码问题。采用0.18 μm CMOS工艺流片,实测250 MHz参考时钟频率下分辨率0.5 ns,积分非线性?0.4~0.6 LSB,微分非线性?0.4~0.4 LSB,TDC转换单调,有效量程位数13位,20 kHz帧频功耗380.5 mW。     

GM-APD阵列高精度像素读出电路设计

提出并设计了一种适用于激光3D成像的盖革模式雪崩光电二极管（Geiger-mode avalanche photodiode,GM-APD）阵列像素读出电路。基于飞行时间（time-of-flight,TOF）原理,像素读出电路主要由两部分组成:有源淬火电路（active quenching circuit,AQC）和时间数字转换器（time-to-digital converter,TDC）。所采用的TDC是粗细结合的两段式计数方式,成功实现了时钟频率和时间分辨率间的折中。基于内插技术,由粗计数的线性反馈移位寄存器和细计数的延时线型TDC共同实现了高达18-bit的动态范围。同时两者的时钟频率分别降低至250 MHz和500 MHz,分别是常规设计频率的1/20和1/10,大大降低了设计和应用难度。电路采用SMIC 0.18 m工艺设计,后仿结果显示达到了200 ps的高精度时间分辨率,对应的距离分辨率为3 cm,完全能够满足3 km激光3D成像中的测距要求。像素电路版图面积小于5095 m2,总功耗为0.89 mW,具有小面积和低功耗的优势。     

单光子雪崩二极管猝熄电路的发展

单光子雪崩二极管(SPAD)是工作在击穿电压上的雪崩光电二极管(APD).对于极弱光学信号的探测,例如超高音速飞行器早期预警的应用,SPAD可能是理想的探测器选择.SPAD必须与猝熄电路配套工作.基于pn结等效电路模型,分析了适用于SPAD雪崩猝熄的基本电路结构,例如被动、主动以及混合猝熄电路等.对于SPAD器件测试和...     

Compact SPAD pixels with fast and accurate photon counting in the analog domain

A compact pixel for single-photon detection in the analog domain is presented.The pixel integrates a single-photon avalanche diode (SPAD),a passive quenching & active recharging circuit (PQARC),and an analog counter for fast and accurate sensing and counting of photons.Fabricated in a standard 0.18μm CMOS technology,the simulated and experimental results reveal that the dead time of the PQARC is about 8 ns and the maximum photon-counting rate can reach 125 Mcps (counting per second).The analog counter can achieve an 8-bit counting range with a voltage step of 6.9 mV.The differential nonlinearity (DNL) and integral nonlinearity (INL) of the analog counter are within the ± 0.6 and ± 1.2 LSB,respectively,indicating high linearity of photon counting.Due to its simple circuit structure and compact layout configuration,the total area occupation of the presented pixel is about 1500μm2,leading to a high fill factor of 9.2％.The presented in-pixel front-end circuit is very suitable for the high-density array integration of SPAD sensors.     

Silicon planar technology for single-photon optical detectors

Design and fabrication of single photon avalanche detector (SPAD) in planar technology is reported. Device design and critical issues in the technology are discussed. Experimental test procedures are described for dark-counting rate, afterpulsing probability, photon timing resolution, and quantum detection efficiency. Low-noise detectors are obtained, with dark counting rates down to 10 c/s for devices with 10 /spl mu/m diameter, down to 1 kc/s for 50 /spl mu/m diameter. The technology is suitable for monolithic integration of SPAD detectors and associated circuits.     

A SPAD-based random number generator pixel based on the arrival time of photons

A quantum random generator based on photon detection is here presented. The system consists of a photon source, typically a commercial LED, coupled with a detector with single photon detection capability. The detector is composed of a Single-Photon Avalanche Diode (SPAD) and a time stamp circuit, which samples the arrival time of impinging photons within a predefined temporal window. The proposed implementation optimizes the area, allowing embedding all circuitry into a single pixel, and increases the efficiency of random bit extraction. Moreover, the adopted fast pre-charge mode of the SPAD quenching circuit reduces the afterpulsing probability, and hence possible undesirable correlation in the resulting random bit sequence. Thanks to the implemented random bit extraction, experimental results show that the pixel has a flat behavior for a significant range of light intensity, which makes the pixel robust against variations of external PVT parameters. The maximum achievable bit rate has been measured equal to 1 Mbps, while random sequences are shown to pass NIST tests without any post-processing.     

A low noise readout detector circuit for nanoampere sensorapplications

A readout detector IC has been developed which is capable of detecting nanoampere photo-current signals of interest in a high (microampere) background illumination or dc noise level (SNR=80 dB). The readout detector sensor IC processes transient signals of interest from a separate photo-diode pixel array chip. Low noise signal conditioning, filtering, and signal thresholding implement smart sensor detection of only “active pixels.” This detector circuit can also be used to perform signal conditioning for other sensor applications that require detection of very small signals in a high background noise environment     

基于SiC APD的日盲紫外单光子计数读出电路设计与应用

针对宽禁带半导体SiC APD紫外单光子探测器,本文提出了一种1×8线阵型单光子计数读出电路.根据光强条件并通过合适的时序控制,可选取固定门控或互补门控探测方式,实现宽动态范围紫外光子信号的探测计数.读出电路采用TSMC 0.18μm CMOS工艺制备,测试结果表明,读出电路具备单光子探测功能,性能与仿真分析预期结果吻合.最终,借助微动系统二维转台完成对日盲紫外单波长光子的探测与成像,实现对多个独立紫外光源的准确区分与目标定位.