【摘要】：非制冷紅外成像技術(shù)具有很好的應(yīng)用前景,在國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用,是當(dāng)代紅外技術(shù)領(lǐng)域的研究前沿,正主導(dǎo)著下一代紅外和相關(guān)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,在國際上已被列為信息科學(xué)技術(shù)的關(guān)鍵領(lǐng)域,成為了各國研究的熱點(diǎn)之一。同時(shí)由于非制冷紅外成像技術(shù)在軍事上有著重要的應(yīng)用,西方國家也對我國進(jìn)行核心技術(shù)封鎖。讀出電路是影響和提高焦平面探測器性能的重要部分,其和敏感材料制備技術(shù)、焦平面陣列制造技術(shù)一起成為非制冷紅外成像的核心技術(shù)。因此,針對讀出電路開展研究具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。本課題致力于研究新型紅外敏感材料焦平面陣列讀出電路技術(shù)。在研究傳統(tǒng)讀出電路結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)出適合于采用新型紅外敏感材料的焦平面陣列讀出電路結(jié)構(gòu)。本文首次提出了背景電流自補(bǔ)償?shù)乃枷牒蛯?shí)現(xiàn)方法,為新型紅外敏感材料焦平面陣列讀出電路設(shè)計(jì)提供了解決思路。本文首先對硅鍺硅多量子阱焦平面陣列特性展開研究,分析了硅鍺硅多量子阱材料的特點(diǎn),研究了硅鍺硅多量子阱材料的電學(xué)測試方法,利用自研的材料測試系統(tǒng)對硅鍺硅多量子阱材料進(jìn)行了測試。同時(shí)還研究了微測輻射熱計(jì)的熱電機(jī)制以及熱導(dǎo)、熱容等熱學(xué)參數(shù)的測試方法,利用自研的陣列參數(shù)測試系統(tǒng)對硅鍺硅多量子阱焦平面陣列進(jìn)行了測試。這些工作為讀出電路的設(shè)計(jì)提供了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和研究基礎(chǔ)。其次,研究了影響讀出電路性能的關(guān)鍵結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)了一種新型的讀出電路結(jié)構(gòu)。該讀出電路結(jié)構(gòu)具備背景電流補(bǔ)償接口,具有低噪聲和高偏置穩(wěn)定性的特點(diǎn)。此外,還研究了采樣保持電路,并設(shè)計(jì)了單電容相關(guān)雙采樣電路、偏置電路、積分運(yùn)算放大器、積分單元電路等,得到積分線性度99%,注入效率99%,偏置誤差0.0001%,積分器輸出擺幅4.98V,帶內(nèi)的均方根噪聲為0.25mV的仿真結(jié)果。仿真結(jié)果表明本文設(shè)計(jì)的單元讀出電路具有線性度高、注入效率高、偏置電壓穩(wěn)定、擺幅大和噪聲水平低的特點(diǎn)。第三,在研究傳統(tǒng)的背景電流補(bǔ)償方法基礎(chǔ)上,提出了一種新型的背景電流自補(bǔ)償電路。該電路工作于閉環(huán)狀態(tài),可自適應(yīng)的針對不同大小的背景電流進(jìn)行抑制,可以兼容多種材料的微測輻射熱計(jì)焦平面陣列。研究了背景電流自補(bǔ)償模塊的設(shè)計(jì)方法,分析了構(gòu)建模塊的相關(guān)電路,并進(jìn)行仿真分析,仿真結(jié)果表明背景電流自補(bǔ)償電路和各子模塊滿足設(shè)計(jì)要求。利用AMS 0.35μm CMOS數(shù)字工藝庫進(jìn)行電路設(shè)計(jì),綜合后的數(shù)字電路的總體功耗為0.7611mW,核心模塊功耗為0.6544mW,芯片面積共44139Mm2,其中CELL總數(shù)是277個(gè),占用面積為37200μm2。第四,研究了電流源補(bǔ)償電路,指出了溫度和工藝誤差對電流源補(bǔ)償電路的影響,設(shè)計(jì)了輸出可控、高精度、低溫度系數(shù)和高工藝容差性的電流源補(bǔ)償電路,可滿足無TEC微測輻射熱計(jì)的應(yīng)用要求。對該電路進(jìn)行仿真分析,得到電流源輸出線性區(qū)為電流416nA～2.736 μA,在0°C～80℃范圍內(nèi)最大溫度系數(shù)為267ppm/℃,當(dāng)閾值電壓偏差范圍為-742.5 mV到-598 mV時(shí),電流源輸出偏差最大為0.43%,仿真結(jié)果表明,電流源補(bǔ)償電路具有低溫度系數(shù)和高工藝容差性的特點(diǎn)。最后,對本文設(shè)計(jì)的讀出電路芯片開展了裸片測試和整機(jī)測試工作,其中,裸片測試包括:背景電流自補(bǔ)償功能測試,電流源補(bǔ)償電路線性度和溫度系數(shù)測試,讀出電路功能測試、線性度測試、噪聲測試和動態(tài)范圍測試。整機(jī)測試包括:電壓響應(yīng)率測試、相對光譜響應(yīng)率測試、像元噪聲測試和噪聲等效溫差測試。測試結(jié)果為:電流源輸出線性區(qū)范圍是338 nA～2.553 μA,輸出電流誤差2.59%,溫度波動誤差3.02%,溫度系數(shù)378ppm/℃,由補(bǔ)償電流源引起的最大非均勻性噪聲0.18 V。在5V電源電壓下,讀出電路的輸出線性度99%,輸出線性范圍為0.503V～4.402V,輸出端最大RMS噪聲為0.178mV,動態(tài)范圍是86.6dB。整機(jī)測試的結(jié)果為:像元平均電壓響應(yīng)率9.1 ×105V/W,相對光譜響應(yīng)范圍是8～14μm,平均RMS噪聲為0.189mV,平均噪聲等效溫差為97mK。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本文設(shè)計(jì)的讀出電路首次實(shí)現(xiàn)了背景電流自補(bǔ)償功能,且性能良好。該電路為大規(guī)模陣列讀出電路的實(shí)現(xiàn)和工藝電路封裝的一體化研究奠定了良好的基礎(chǔ)。
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【學(xué)位授予單位】：南京理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TN21

【引證文獻(xiàn)】

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前1條

1 何偉;低成本非接觸式紅外無損檢測技術(shù)研究[D];南京理工大學(xué);2017年

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本文編號：2366716