無(wú)TEC非制冷紅外焦平面讀出電路的研究.pdf

1、自上世紀(jì)90年代以來，非制冷紅外探測(cè)器較制冷型的紅外探測(cè)器以無(wú)需制冷、成本低、功耗小、重量輕、小型化、使用方便等優(yōu)勢(shì)迅速引起各國(guó)的關(guān)注，成為當(dāng)代紅外技術(shù)領(lǐng)域的研究前沿，是國(guó)際上競(jìng)相追逐的熱點(diǎn)之一。
　　本文研究了自適應(yīng)、低噪聲、高均勻性、高集成度的微測(cè)輻射熱計(jì)非制冷紅外焦平面陣列讀出電路（ROIC，Readout Integrated Circuit）。該讀出電路集成了片上溫度補(bǔ)償、片上非均勻性校正、片上模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和片上

2、溫度傳感器電路；實(shí)現(xiàn)了640×512陣列的無(wú)TEC(Thermoelectric Cooler)讀出電路的設(shè)計(jì)，與非制冷紅外焦平面陣列單片集成后成像效果良好。主要研究?jī)?nèi)容和成果綜述如下：
　　1.微測(cè)輻射熱計(jì)的熱、電模型的建立。通過對(duì)微測(cè)輻射熱計(jì)的熱學(xué)—電學(xué)等效和仿真，給出了熱容、熱導(dǎo)、偏置電壓、電阻溫度系數(shù)（TCR）和溫升、響應(yīng)之間的關(guān)系。分析了微測(cè)輻射熱計(jì)和前置放大電路的噪聲特性，包括偏置電壓、積分時(shí)間和積分電容等對(duì)噪聲電壓、

3、響應(yīng)率和噪聲等效溫差（NETD）等的影響。
　　2.讀出電路的設(shè)計(jì)。主要實(shí)現(xiàn)了以下五大模塊的設(shè)計(jì)：自適應(yīng)的新型橋式偏置電路；新型的積分及采樣保持電路；片上單點(diǎn)偏置數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）電路；片上ADC電路和片上CMOS溫度傳感器電路。
　?。?）自適應(yīng)的新型橋式偏置電路采用新型橋式偏置電路，引入了襯底溫度補(bǔ)償電阻RB，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)的襯底溫度補(bǔ)償功能，同時(shí)該結(jié)構(gòu)還有降低噪聲的作用，測(cè)試結(jié)果表明輸出電壓隨襯底溫度變化為261mV@d

4、eltaT=80℃；
　?。?）新型的積分及采樣保持電路采用積分電容和采樣保持電容復(fù)用的方式，去除了采樣時(shí)間，提高了工作效率，有效的提高了幀頻；
　　（3）片上單點(diǎn)偏置 DAC電路采用共用電阻串的方式得到，讀出通道中僅集成decoder部分，有效的減小了芯片面積，減小了系統(tǒng)功耗，測(cè)試結(jié)果表明采用6bits的片上單點(diǎn)偏置 DAC，校正后輸出最大和最小值之間僅相差12mV，相對(duì)于校正前的空間非均勻性降低到了原來的13％左右；

5、r>　?。?）片上ADC電路采用列級(jí)集成的single-slope ADC，有效的增強(qiáng)了讀出電路的抗干擾能力。測(cè)試結(jié)果表明，相應(yīng)的INL為±1.2LSB和DNL為±0.7LSB，噪聲特性明顯降低；
　?。?）CMOS溫度傳感器電路代替了傳統(tǒng)的溫度傳感器，該溫度傳感器用于對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)一步的校正。測(cè)試結(jié)果表明，其溫度靈敏度達(dá)到22.8 mV/K，線性度達(dá)到99.95%。
　　3.進(jìn)行了微測(cè)輻射熱計(jì)陣列與讀出電路的單片集成研究，研