非致冷紅外焦平面的讀出電路及測(cè)試系統(tǒng)研究.pdf

1、紅外焦平面陣列(IRFPA)是紅外系統(tǒng)及熱成像器件的關(guān)鍵部件，在軍事及民用領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，西方各發(fā)達(dá)國(guó)家長(zhǎng)期以來(lái)一直很重視紅外焦平面陣列的開(kāi)發(fā)和研制工作。微測(cè)輻射熱計(jì)型的非致冷焦平面陣列(UFPA)是當(dāng)前紅外焦平面發(fā)展的重要方向之一，其結(jié)構(gòu)一般包括兩個(gè)部分：紅外探測(cè)器陣列和讀出電路(ROIC)?；パa(bǔ)金屬-氧化物-半導(dǎo)體(CMOS)讀出電路是讀出電路發(fā)展的主流方向，也是紅外焦平面陣列的關(guān)鍵技術(shù)之一，其性能影響甚至是決定著整個(gè)紅外焦平面

2、陣列乃至整個(gè)紅外成像系統(tǒng)的性能。相對(duì)于西方幾個(gè)主要發(fā)達(dá)國(guó)家來(lái)說(shuō)，同非致冷紅外焦平面陣列的其他技術(shù)一樣，我國(guó)的紅外焦平面CMOS讀出電路技術(shù)以及包括測(cè)試CMOS讀出電路性能的紅外焦平面測(cè)試技術(shù)起步較晚，在上世紀(jì)九十年代才開(kāi)始涉足。鑒于非致冷紅外焦平面在軍事應(yīng)用方面的重要意義，我國(guó)迫切需要開(kāi)發(fā)出擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的紅外焦平面陣列，應(yīng)加快非致冷紅外焦平面CMOS讀出電路及其測(cè)試等各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)(材料、讀出電路、器件工藝、測(cè)試和信號(hào)處理等)研究

3、的步伐。本文著重從微測(cè)輻射熱計(jì)型非致冷焦平面的讀出電路及其測(cè)試技術(shù)兩方面開(kāi)展理論和試驗(yàn)研究。主要內(nèi)容包括：
　　 ⑴分析了CMOS讀出電路的相關(guān)技術(shù)，深入分析了CMOS讀出電路的噪聲特點(diǎn)，并比較了幾種基本讀出電路結(jié)構(gòu)，主要包括自積分(SI)、直接注入(DI)、源級(jí)跟隨器(SFD)和電容反饋負(fù)導(dǎo)放大器(CTIA)讀出結(jié)構(gòu)。其中DI 讀出結(jié)構(gòu)電路簡(jiǎn)單，光電流注入效益高，但電路均勻性較差，KTC 噪聲較大；CTIA 讀出結(jié)構(gòu)電路具備偏

4、置穩(wěn)定、高線性、噪聲低，均勻性好、動(dòng)態(tài)范圍大等其他結(jié)構(gòu)難以具備的優(yōu)點(diǎn)，但電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功耗大。
　　 ⑵提出了一種具有測(cè)輻射熱計(jì)電流直接注入(BCDI)和電容反饋負(fù)導(dǎo)放大器CTIA相結(jié)合的CMOS讀出電路結(jié)構(gòu)，該讀出結(jié)構(gòu)具有DI和CTIA 讀出結(jié)構(gòu)電路的各自優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)克服了兩種讀出結(jié)構(gòu)電路各自固有的缺點(diǎn)，適合大規(guī)模紅外焦平面。基于我們提出的讀出電路結(jié)構(gòu)，一個(gè)完整焦平面CMOS讀出電路被設(shè)計(jì)出來(lái)，設(shè)計(jì)出的讀出電路具有較強(qiáng)抑噪能力的

5、相關(guān)雙采樣(CDS)電路。CMOS讀出電路各部分的仿真及測(cè)試表明：設(shè)計(jì)的讀出電路具有低噪聲、低功耗及線性動(dòng)態(tài)輸出范圍大等特點(diǎn)。
　　 ⑶設(shè)計(jì)出了一個(gè)測(cè)試焦平面性能的低成本模塊化測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括黑體源、紅外光學(xué)系統(tǒng)和偏壓控制等模塊，指出了焦平面待測(cè)的特征參數(shù)并分析了測(cè)試系統(tǒng)各模塊的功能要求。該測(cè)試系統(tǒng)具有可拓展性、在線配置和兼容性等特點(diǎn)。對(duì)搭建的一個(gè)實(shí)際測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行了定標(biāo)試驗(yàn)，定標(biāo)結(jié)果表明設(shè)計(jì)的測(cè)試系統(tǒng)具有較高的可靠性，能夠滿