基于紅外成像系統(tǒng)的低溫讀出電路設計技術研究.pdf

1、紅外成像技術廣泛應用于軍事監(jiān)測、資源勘探、科學探索及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等領域。由于受探測器響應及熱噪聲等因素的影響，通常需要將探測系統(tǒng)置于低溫環(huán)境中工作，因此讀出電路（ROIC）的低溫性能成為影響整個探測系統(tǒng)性能的重要因素。本文針對紅外成像系統(tǒng)應用，開展了大面陣列紅外讀出電路的設計與低溫技術研究。主要研究內(nèi)容如下：
　　1、基于Chartered 0.35μm CMOS工藝通過參數(shù)修正完成了適用于低溫電路仿真的金屬氧化物半導體場效應晶體管

2、（MOSFET）模型。首先，通過理論分析與MOSFET低溫測試相結(jié)合的方式，深入的研究了低溫環(huán)境對器件特性的影響，MOSFET各主要參數(shù)隨溫度的變化規(guī)律，以及低溫器件特性的變化對數(shù)字、模擬電路性能的影響。其次，在MOSFET低溫特性分析測試的基礎上，實現(xiàn)了可用于80K和135K低溫電路仿真的MOSFET修正模型。該模型是以常用的BSIM3模型為核心，通過增加用于描述低溫載流子凍析效應的修正參數(shù)，提高了對于低溫下MOSFET的仿真擬合精度

3、。
　　2、針對512×512紅外焦平面（FPA），提出了一種低功耗的讀出電路結(jié)構。通過采用高增益共源共柵CTIA、電荷轉(zhuǎn)移列放大器和新型的輸出緩沖結(jié)構并結(jié)合優(yōu)化的列輸出時序，電路的輸出速率達到10MHz以上，而功耗小于70mW。經(jīng)低溫MOSFET模型仿真驗證以及芯片測試，該電路可在80K~300K的超寬溫度范圍內(nèi)正常工作。
　　3、針對紅外系統(tǒng)應用，提出了兩種低溫模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）結(jié)構。一種為帶有失配校準的循環(huán)（Cycl

4、ic）ADC，通過優(yōu)化余量放大器（MDAC）結(jié)構并采用改進型冗余符號數(shù)（RSD）編碼校準技術，可以消除由于器件失配帶來的運放失調(diào)以及增益誤差，同時增大了對比較器失調(diào)的容忍度。另一種為帶有溫度補償?shù)闹鸫伪平⊿AR）ADC結(jié)構，通過采用溫度補償時域比較器結(jié)構以保證在80K~300K的工作溫度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度以及轉(zhuǎn)換精度的穩(wěn)定性。
　　本文通過理論分析、器件建模、電路仿真以及測試，完成了大面陣的紅外讀出電路與ADC電路的設計。仿