【摘要】：紅外成像探測技術(shù)自發(fā)明以來,被重點(diǎn)應(yīng)用于軍事的各個方面,而且在衛(wèi)生醫(yī)療、設(shè)備檢測等領(lǐng)域也備受關(guān)注。隨著紅外成像技術(shù)的不斷發(fā)展,紅外焦平面陣列(Infrared Focal Plane Array,IRFPA)也逐漸為國內(nèi)外研究者所重視。IRFPA成像系統(tǒng)主要包括兩個部分:探測器單元陣列和讀出電路(Readout Integrated Circuit,ROIC)。隨著集成電路產(chǎn)業(yè)技術(shù)的不斷進(jìn)步,像元陣列規(guī)模不斷擴(kuò)大,像元尺寸不斷縮小,ROIC的性能成為制約IRFPA成像系統(tǒng)發(fā)展的關(guān)鍵因素,因此對具有高性能的ROIC的研究具有重大意義。本論文首先對IRFPA技術(shù)的研究進(jìn)展做了簡要分析,根據(jù)ROIC的電路類型和工作原理,比較不同的電路類型,選擇電容跨阻放大器(Capacitance Transimpedance Amplifier,CTIA)作為本文設(shè)計的像元電路類型。其次,對CTIA型的像元電路進(jìn)行理論分析及設(shè)計仿真,考慮像元電路的各個性能參數(shù),尤其是對其噪聲的處理進(jìn)行了詳細(xì)的介紹及分析。為降低輸入?yún)⒖荚肼?本文在設(shè)計過程中,將相關(guān)雙采樣CDS電路加入到像元內(nèi)部,雖然增加了單個像元的功耗和面積,但是簡化了列級信號的處理過程,消除了兩條列總線傳輸過程中的干擾問題,有利于整體芯片的布局布線。再次,本文IRFPA ROIC的其他模塊都進(jìn)行了理論分析和設(shè)計仿真,重點(diǎn)介紹了數(shù)字控制模塊的設(shè)計。數(shù)字控制模塊的功能是實現(xiàn)32x32像元陣列的行列選擇以及各種輸出模式、積分模式的控制,包括全陣列讀出、開窗讀出和亞采樣讀出等。本文采用先行選再列選的逐行逐列的掃描方式,并且提出了一種預(yù)建立機(jī)制,不僅提高了電路的讀出速率,而且降低了系統(tǒng)的整體功耗。最后,本文采用的是0.18μm CMOS工藝,ROIC的像元陣列規(guī)模為32×32,幀頻可達(dá)100Hz,支持1路、2路和4路輸出模式,讀出速率為20Mbps,芯片的整體面積為2.2mm×1.6mm。本文設(shè)計過程中利用的是全定制的方法,對整體芯片的版圖和布局布線都進(jìn)行了優(yōu)化,并且通過了DRC、LVS驗證,,最終成功流片。
【圖文】：

在紅外成像系統(tǒng)中，探測器接收紅外光信號產(chǎn)生感應(yīng)電信號，然后電信號經(jīng)過讀出電路的一系列處理之后，才最終被恢復(fù)成終端的圖像。紅外焦平面陣列（Infrared FocalPlane Array，IRFPA）具有的功能有：一是實現(xiàn)光-電信號的轉(zhuǎn)換；二是電信號的積分、放大和傳輸；三是后期的信號處理。與傳統(tǒng)的紅外成像技術(shù)相比，這種成像技術(shù)可以在焦平面上直接實現(xiàn)像元陣列的掃描過程，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，體積大大減小，制造成本低，可靠性好[4]。根據(jù) IRFPA 的使用環(huán)境，可以將其分為制冷型和非制冷型兩種[5]。制冷型的探測靈敏度和響應(yīng)線性度性能較好，但是系統(tǒng)體積大，需要額外的制冷系統(tǒng)，制作成本高，在航天探測等領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛。非制冷型并不需要制冷系統(tǒng)，在室溫下就可以工作，系統(tǒng)功耗比較低，使用較為方便，適合應(yīng)用于其他領(lǐng)域[7]。圖 1.1 為 IRFPA 成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，它主要包括光學(xué)系統(tǒng)、IRFPA、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、信號處理、數(shù)據(jù)儲存和信息顯示等部分。作為該系統(tǒng)的核心部件，IRFPA 通常包括兩部分：紅外探測器陣列和讀出電路。

圖 1.2 紅外熱成像無人機(jī)系統(tǒng) 是系統(tǒng)中至關(guān)重要的部分，位于焦平面上的探測器陣列，將接收到的光級模塊可識別的電信號。因此，對于響應(yīng)線性度好、電路噪聲低、讀A ROIC 的研究設(shè)計十分重要。ROIC 的功能是對產(chǎn)生的光電信號進(jìn)行，限制著整個系統(tǒng)的信號處理功能以及圖像還原的清晰度等。隨著 CM步，讀出電路也在朝著低功耗、低噪聲、高動態(tài)范圍、高讀出速率的國外都在花費(fèi)大量的精力對此方面進(jìn)行研究與開發(fā)，尤其是美、英、外不少專家都在致力于提高讀出電路的性能，提出了許多新的電路架且都獲得了突破性的進(jìn)展，但是國內(nèi)在這方面的研究還處于學(xué)習(xí)探索差距還是非常大。因此，研究高性能的紅外焦平面讀出電路，，加快我研究進(jìn)展，不僅可以改變大量依賴進(jìn)口的現(xiàn)狀，還能擁有我國自主的
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN215

【參考文獻(xiàn)】

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2 周杰;320×256中/長波雙色紅外信號讀出電路設(shè)計[D];中國科學(xué)院研究生院(上海技術(shù)物理研究所);2015年

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4 劉成康;紅外焦平面陣列CMOS讀出電路研究[D];重慶大學(xué);2001年

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1 姜濤;紅外焦平面陣列讀出電路的研究與設(shè)計[D];吉林大學(xué);2017年

2 劉琦;256×320陣列多功能紅外讀出電路的設(shè)計[D];南京郵電大學(xué);2016年

3 姜婷;碲鎘汞長波紅外焦平面器件讀出后處理技術(shù)研究[D];中國科學(xué)院研究生院(上海技術(shù)物理研究所);2016年

4 趙國芬;SOI二極管型長波紅外探測器單元電路設(shè)計[D];天津大學(xué);2016年

5 蘇軍;BDI型紅外焦平面讀出電路的設(shè)計與實現(xiàn)[D];東南大學(xué);2015年

6 劉慧芳;1280×1024非制冷紅外焦平面讀出電路的研究[D];電子科技大學(xué);2015年

7 于文華;32×32紅外焦平面陣列CTIA型讀出電路系統(tǒng)設(shè)計[D];電子科技大學(xué);2013年

本文編號：2594443