无TEC非制冷红外焦平面读出电路的设计与研究

论文摘要

去除非制冷红外焦平面探测器中用于衬底温度控制的热电制冷器（Thermo-Electric Cooler,TEC）可以有效降低功耗、减小体积及成本,是目前非制冷红外焦平面阵列探测技术的发展趋势和研究热点之一。然而去除TEC的使用,会引起焦平面阵列非均匀性难以使用传统方法进行校正的问题,因此需要进行无TEC非制冷红外焦平面阵列非均匀性校正算法及其电路实现的研究。本文系统地研究了无TEC非制冷红外焦平面阵列的片上非均匀性校正方法,以及相关读出电路的设计。从相关模型的建立到数值分析,为片上非均匀性校正提供了相关理论支持;在此基础上提出使用脉冲偏压校正的方法,构建了实现这种方法的读出电路系统,并对读出电路的各个模块进行了设计、仿真和分析。全文的主要研究内容和相关结果总结如下:1.对整个光电信号转换和传输过程进行建模和分析,得到探测元温升、电阻值变化、响应率和输出电压等相关参数的解析表达式,为非均匀性的校正提供相关理论支持。2.对TEC的工作原理进行了介绍,研究了其功耗问题,以及去除TEC后带来的非均匀性校正问题。结果显示,探测器响应特性的增益系数和偏移量会随环境温度的变化而变化,需要进行相关校正技术的研究。3.对无TEC非制冷红外焦平面阵列的片上非均匀性校正算法进行建模和数值分析。结果显示,在环境温度每改变4 K以下时进行一次校正,可将空间NETD降低到50 mK以下,使用脉冲偏压校正的方法能够很好的将响应率和输出电压校正到同一水平上。4.采用CSMC 0.5μm CMOS工艺,在Cadence下对无TEC非制冷红外焦平面阵列的读出电路进行了设计、仿真和分析。结果显示,本设计的读出电路可以完成片上非均匀性校正的功能,同时各个单元模块均达到设计指标,具有良好的稳定性和可靠性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 非制冷红外焦平面阵列技术的发展
• 1.2.1 国内外的发展
• 1.2.2 未来的发展
• 1.3 非制冷红外焦平面阵列探测器读出电路的研究概况
• 1.4 本文的研究背景和意义
• 1.5 本文的内容
• 第二章 非制冷红外焦平面阵列的基本理论
• 2.1 红外辐射特性
• 2.2 非制冷焦平面阵列探测理论
• 2.2.1 非制冷焦平面阵列探测器的原理
• 2.2.2 非制冷焦平面阵列探测器的简单数学模型
• 2.3 非制冷红外焦平面阵列的非均匀性
• 2.3.1 非均匀性的来源和定义
• 2.3.2 非均匀性的特点
• 2.3.3 传统的非均匀性校正技术
• 2.4 小结
• 第三章 无TEC 非制冷红外焦平面读出电路系统的结构设计
• 3.1 热电制冷器（TEC）
• 3.1.1 TEC 的介绍
• 3.1.2 TEC 的功耗问题
• 3.1.3 去除TEC 对非均匀校正的影响
• 3.2 无TEC 非制冷红外焦平面阵列的片上非均匀性校正
• 3.2.1 片上非均匀性校正技术的介绍
• 3.2.2 脉冲偏压校正技术的建模与数值分析
• 3.2.3 校正系数的标定
• 3.3 无TEC 读出电路系统结构设计
• 3.3.1 读出电路的系统结构
• 3.3.2 读出电路的工作流程
• 3.4 小结
• 第四章 无TEC 非制冷红外焦平面探测器读出电路的设计
• 4.1 多路开关阵列
• 4.2 读出通道
• 4.2.1 前端偏置电路部分
• 4.2.2 积分电路部分
• 4.2.3 采样/保持电路
• 4.3 输出缓冲电路
• 4.4 脉冲偏压校正电路
• 4.5 带隙基准电压源
• 4.6 温度传感器
• 4.7 小结
• 第五章 读出电路的仿真和分析
• 5.1 读出通道的仿真结果
• 5.2 输出缓冲电路的仿真结果
• 5.3 带隙基准电压源的仿真结果
• 5.4 温度传感器的仿真结果
• 5.5 小结
• 第六章 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士期间取得的研究成果