集成传感器的读出电路

论文摘要

非制冷红外传感器具有广泛的应用领域，在众多材料中，SOI二极管探测器具有较好的灵敏度与一致性。本文针对这种探测器材料进行了数字化读出电路设计。其中探测器阵列的规模为160×120，像素尺寸为32μm×32μm，帧频率为100Hz。在阵列规模大、像素尺寸小的非制冷红外探测器阵列中，通过对功耗与面积的折衷考虑，系统采用了列级的读出电路架构。在系统结构上，本文分析了积分型ADC作为可扩展读出电路与一阶增量Sigma-Delta ADC作为低噪声低功耗读出电路并分别对这两种结构进行了电路设计。其中可扩展读出电路通过参考列的方法降低了列单元间的相对失调，通过差分输入的Gm-C积分器结构实现了消除背景信号的功能，通过一个列读出单元产生斜坡，可以校准输出范围。采用这种系统结构设计了8列读出单元，该设计采用0.35μm CMOS工艺，并进行了流片与测试。测试结果表示8列读出单元达到了较好的相对匹配，失调仅有3mV，但是噪声特性与线性度较差。一阶增量Sigma-DeltaADC结构作为读出电路具有很好的线性度，通过采用斩波可以抑制闪烁噪声。通过采用双线性积分器的方案降低了系统时钟频率。在电路上采用了AB类OTA，该结构的OTA输出电流不受到电压摆率的限制，从而降低了系统功耗。该系统采用了0.18μm CMOS工艺进行了设计，并进行了仿真验证。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 选题背景
• 1.2 非制冷红外焦平面发展状况
• 1.3 读出电路的设计目标
• 1.4 论文结构
• 第2章 数字化读出电路原理与分析
• 2.1 读出电路方案
• 2.2 可扩展读出电路
• 2.2.1 积分型ADC
• 2.3 低功耗低噪声读出电路
• 2.3.1 增量 Sigma-Delta ADC
• 2.3.2 双线性积分器
• 2.3.3 斩波（chopping）
• 第3章 可扩展的读出电路设计
• 3.1 系统结构设计
• 3.2 电路设计与仿真
• 3.2.1 线性化 OTA
• 3.2.2 采样保持电路
• 3.2.3 高增益比较器
• 3.2.4 系统仿真
• 3.3 版图与测试结果分析
• 3.3.1 版图设计
• 3.3.2 芯片测试
• 第4章 低噪声低功耗的读出电路设计
• 4.1 本章引论
• 4.2 系统结构与参数设计
• 4.2.1 系统结构
• 4.2.2 系统参数设计
• 4.3 电路单元设计
• 4.3.1 OTA设计
• 4.3.2 动态比较器设计
• 4.3.3 系统仿真
• 第5章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果