320×240规模非制冷红外焦平面阵列读出电路设计

论文摘要

自上世纪七十年代末八十年代初以来,非制冷红外焦平面（Uncooled Infrared Focal Plane Array简称UIRFPA）探测器技术已经发展到第三代水平,相对于制冷型来说,由于其质量轻、体积小、寿命长、成本低、功耗小、启动快及稳定性好等优点,在民用、军用两大方面都得到极大的发展。非制冷红外焦平面探测器由原有的测辐射热计等类型发展到现在的硅---绝缘体（SOI）二极管非制冷IRFPA探测器等,阵列的规模由原有小规模的160×120型,发展到大规模的1024×1024型,同时随着阵列规模的扩大,读出电路（Read Out Integrated Circuit简称ROIC）的设计也变得越来越复杂。本论文首先对红外焦平面阵列的原理、分类及阵列的应用、国内外的发展状况做简单的说明,使读者对红外焦平面有一个简单的理解。接着开始针对320×240规模的红外焦平面阵列进行电路设计,电路设计包括三大部分,模拟电路设计、扫描与接口电路设计、数字时序控制电路设计,本论文的设计重点在模拟电路部分,这与制约读出电路设计的瓶颈因素一致。本论文针对上述问题设计了与电压信号放大相适应的积分放大器,并详细研究了阵列规模、帧频与电路参数之间的关系,可以对更大规模阵列的读出电路设计提供理论指导。在数字时序控制电路设计部分,并采用了动态移位寄存器替代原有方案中的D型触发器,极大地降低了数字时序控制电路的功耗与面积,这在大规模阵列读出电路设计中有非常大的借鉴意义。本论文使用cadence软件对于模拟电路、扫描与接口电路、数字时序控制电路进行了原理图设计,绘制了相应的版图,完成版图验证与后仿真,并在流片之后封装测试验证设计思想。

论文目录

• 致谢
• 中文摘要
• ABSTRACT
• 序
• 1 引言
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 ROIC的应用现状与前景
• 1.3 论文的研究内容与组织结构
• 2 红外焦平面阵列概述
• 2.1 红外焦平面阵列原理概述及分类
• 2.2 国内外发展状况简述
• 2.3 红外焦平面阵列的发展趋势
• 2.4 本章小结
• 3 320×240焦平面ROIC模拟电路设计
• 3.1 读出电路的工作原理概述
• 3.2 模拟电路设计
• 3.2.1 模拟电路读取方式及整体框架
• 3.2.2 微电流源偏置电路设计
• 3.2.3 放大电路设计
• 3.2.4 采样保持电路设计
• 3.2.5 缓冲隔离电路设计
• 3.2.6 偏置电路设计
• 3.2.7 模拟电路版图设计
• 3.3 本章小结
• 4 320×240焦平面ROIC扫描电路与接口电路设计
• 4.1 扫描电路的时序分析及电路设计
• 4.2 CMOS开关电路设计
• 4.3 行、列选通电路结构
• 4.4 行、列选通电路版图设计
• 4.5 本章小结
• 5 320×240焦平面ROIC数字电路设计
• 5.1 时序分析及时序电路设计
• 5.2 不交叠时钟与动态移位寄存器电路设计
• 5.3 D型触发器及计数器设计
• 5.4 数字电路版图设计
• 5.5 本章小结
• 6 320×240焦平面读出电路的后仿真与性能测试
• 6.1 320×240焦平面读出电路整体版图的设计与验证
• 6.2 320×240焦平面读出电路整体的后仿真
• 6.3 测试结果及分析
• 6.4 本章小结
• 7 结论
• 7.1 全文结论
• 7.2 未来展望
• 参考文献
• 作者简历
• 学位论文数据集