320×256红外焦平面读出电路研究

论文摘要

红外焦平面阵列(IRFPA)成像技术是近30年才发展起来的,它由红外探测器和读出电路构成。对于成熟的红外焦平面阵列来说,主要是读出电路限制单元电路的性能,而不是探测器本身,因此高性能读出电路的设计非常关键。本课题在分析国内外红外焦平面读出电路现状的基础上,采用CSMC(华润上华)的0.5um2P3M工艺设计了一款320×256红外焦平面读出电路。该读出电路包含前置信号处理电路和数字控制逻辑,通过复杂数字控制逻辑的设计实现了多种用户可配置功能。最后,本课题通过全定制方式实现全局电路版图。本文主要内容如下:(1)第一、二章介绍了国内外红外焦平面阵列的发展现状和趋势,以及多种红外焦平面探测器的工作原理,并提出红外焦平面读出电路的总体设计方法。(2)第三章首先重点分析了光伏型红外探测器的工作原理并给出等效电路;然后根据读出电路项目的设计指标确定整体电路的设计思想和设计原理。(3)第四章根据项目指标要求,完成前置信号处理电路的设计。前置信号处理电路主要包含积分放大电路、采样保持电路和驱动电路,各个模块的设计符合设计指标。(4)第五章通过复杂控制逻辑电路的设计,实现读出电路多项用户可配置功能,包括全局复位、任意开窗读出,读出方向可选,输出端口数目可选,读出电路功耗可调等等。(5)第六章通过全定制方式实现320×256红外焦平面读出电路的版图设计,最终版图尺寸为11mm×12mm。同时介绍了应用在本课题中的一些版图设计技巧。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 红外焦平面读出电路的发展历史及现状
• 1.1.1 红外焦平面读出电路的发展历史
• 1.1.2 国内外红外焦平面读出电路的现状
• 1.2 红外焦平面读出电路的发展动态
• 1.3 本文主要内容
• 1.3.1 前置信号处理电路设计
• 1.3.2 读出电路控制逻辑设计
• 1.3.3 全定制版图实现
• 第二章 红外焦平面读出电路概述
• 2.1 红外焦平面阵列的分类
• 2.2 红外焦平面探测器的工作原理
• 2.2.1 热探测器
• 2.2.2 光子探测器
• 2.3 红外焦平面读出电路的总体设计
• 2.4 本章总结
• 第三章 320×256红外焦平面读出电路设计
• 3.1 光伏红外探测器及等效电路
• 3.2 读出电路项目技术指标
• 3.3 读出电路设计思路
• 3.4 读出电路设计流程
• 3.5 读出电路设计原理
• 3.6 本章总结
• 第四章 模拟模块设计分析与仿真
• 4.1 CTIA单元电路设计
• 4.2 列缓冲器设计
• 4.3 总线驱动器设计
• 4.4 输出驱动器设计
• 4.5 前置信号处理电路全仿
• 4.6 本章总结
• 第五章 320×256红外焦平面读出电路控制逻辑设计
• 5.1 红外焦平面读出电路的系统构成
• 5.2 控制字的载入
• 5.2.1 控制字的载入方法
• 5.3 全局复位的实现
• 5.4 任意窗口读出及读出方向可选
• 5.4.1 行选信号产生模块
• 5.4.2 列选信号产生模块
• 5.5 可控输出端口数目
• 5.5.1 不同输出端口数目的工作时序图
• 5.5.2 可控输出端口数目原理图实现
• 5.6 器件功耗可调
• 5.7 本章总结
• 第六章 红外焦平面读出电路全定制版图实现
• 6.1 版图设计技巧
• 6.1.1 大宽长比MOS管版图设计
• 6.1.2 版图设计寄生电容优化
• 6.1.3 版图设计的共心法
• 6.1.4 虚拟器件法
• 6.1.5 参考源的分布
• 6.1.6 ESD版图
• 6.2 本课题全局电路版图
• 第七章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻硕期间取得的成果