低功耗多功能红外焦平面阵列读出电路研究和设计
低功耗多功能红外焦平面阵列读出电路研究和设计低功耗多功能红外焦平面阵列读出电路研究和设计
随着科技的不断发展，红外焦平面阵列成像技术已经被广泛应用于军事、医疗、安防等领域。然而，红外焦平面阵列的读出电路一直是制约其应用的瓶颈之一。为了解决这一问题，研究人员们提出了低功耗多功能红外焦平面阵列读出电路的设计方案。
低功耗是该电路设计的重要特点之一。在传统的红外焦平面阵列读出电路中，由于需要大量的电路元件，功耗较高，导致设备体积大、重量重、成本高等问题。而低功耗多功能红外焦平面阵列读出电路则采用了多种优化措施，如采用低功耗的CMOS工艺、优化电路结构、降低电路噪声等，使得整个电路的功耗大大降低，同时也提高了电路的稳定性和可靠性。
多功能性也是该电路设计的另一个特点。在传统的红外焦平面阵列读出电路中，通常只能实现单一的功能，如增益、滤波、放大等。而低功耗多功能红外焦平面阵列读出电路则采用了多种技术手段，如数字信号处理、自适应滤波、多通道采集等，使得电路具有更加丰富的功能，能够满足不同应用场景的需求。
红外焦平面阵列读出电路的设计也是该电路设计的重要内容之一。在设计过程中，需要考虑到电路的复杂性、功耗、噪声等因素，同时还需要根据具体的应用场景进行优化。例如，在医疗领域中，需要考虑到电路的安全性和稳定性，同时还需要考虑到电路的成本和可靠性等因素。
总之，低功耗多功能红外焦平面阵列读出电路的研究和设计是一个复杂而又重要的课题。通过采用低功耗的CMOS工艺、优化电路结构、降低电路噪声等多种技术手段，使得电路具有更加优异的性能和更加丰富的功能，能够满足不同应用场景的需求。未来，随着科技的不断发展，红外焦平面阵列读出电路的研究和设计将会得到更加广泛的应用和发展。
16红外焦平面器件
四、红外焦平面器件 红外焦平面器件（IRFPA）就是将CCD、CMOS技术引入红外波段所形成的新一代红外探测器，是现代红外成像系统的关键器件。IRFPA建立在材料、探测器阵列、微电子、互连、封装等多项技术基础之上。 1.IRFPA的工作条件 IRFPA通常工作于1〜3p m、3〜5p m和8〜12p m的红外波段并多数探测300K背景中的目标。 典型的红外成像条件是在300K背景中探测温度变化为0.1K的目 标。用普朗克定律计算的各个红外波段300K背景的光谱辐射光子密度： 随波长的变长，背景辐射的光子密度增加。 通常光子密度高于1013/cm2s的背景称为高背景条件，因此3〜5p m或8〜12p m波段的室温背景为高背景条件。 上表同时列出了各个波段的辐射对比度，其定义为：背景温度变化1K所引起光子通量变化与整个光子通量的比值。它随波长增长而减小。 IRFPA工作条件：高背景、低对比度。 2.IRFPA的分类
按照结构可分为单片式和混合式 按照光学系统扫描方式可分为扫描型和凝视型按照读出电路可分为CCD、MOSFET和CID等类型按照制冷方式可分为制冷型和非制冷型 按照响应波段与材料可分为1〜3p m波段 （代表材料HgCdTe—碲镉汞） 3〜5p m波段 （代表材料HgCdTe、InSb—锑化铟 和PtSi—硅化铂） 8〜12p m波段 （代表材料HgCdTe）。 3.IRFPA的结构 IRFPA由红外光敏部分和信号处理部分组成。红外光敏部分——材料的红外光谱响应信号处理部分——有利于电荷的存储与转移 目前没有能同时很好地满足二者要求的材料——IRFPA结构多样性（1）单片式IRFPA 单片式IRFPA主要有三种类型：非本征硅单片式IRFPA 主要缺点是：要求制冷，工作于8〜14p m的器件要制冷到15〜 30K,工作于3〜5p m波段的器件要制冷到40〜65K；量子效率 低，通常为5%〜30%；由于掺杂浓度的不均匀，使器件的响应度 均匀性较差。 本征单片式IRFPA 将红外光敏部分与转移部分同作在一块窄禁带宽度的本征半导
芯片探测器
芯片探测器 从1956年开始，以美国生产非制冷的硫化铅红外探测器（工作波段1～3μm）为导引的“响尾蛇”空空导弹为标志，红外探测器的军事应用进入了飞速发展阶段。首先是对化铅探测器进行制冷，大大提高了探测灵敏度；相继又出现了锑化铟、碲镉汞等多种新材料、多响应元及不同排列方式（线列、面阵）等构成多品种的实用均红外探测器，冉加适当的光机电扫描获得红外图像信息，实现了全天时昼夜红外成像，于红外成像侦察、成像制导等贴片钽电容武器装备，可实时获取战场情报、对来袭目标告警，并大大提高武器打击精度，是带动现代战争模式变革的主要技术因素之一。随着探测器像元规模的断扩大，需要的信号放大和处理电路（一般在非制冷环境）数量也越来越多，其引线数、体积、重量、耗电量、参数一敛性和可靠性等因素使得探测器像元不得不控制在一定的围内（一般在200元以下），严重制约了红外探测技术在武器装备的应用。随着微电子集电路技术的发展，和红外探测器有机结合并不断完善，就诞生了红外焦平面探测器——红外探测阵列完成光电转换，再由和其良好电气耦合（且同处在低温环境）的集成电路完成信号传输、延时积分、存储、背景消除、自动增益控制等信号处理（统称为读出电路，ROIC），又称第二代红外焦平面探测器，技术先进国家20世纪90年代进入批量生产；而把原来的单元或多元器件称为一代红外探测器；目前正在研发的红外焦平面阵列规模更大（百万像素以上、像元面积更小、探测灵敏度更高、均匀性更好）、信号处理能力更强（智能化）、工作T491D336K010AT温度更高(120～180K)、双色（短波红外+中波红外、短波红外+长波红外、中波红外长波红外等）或多色（包括紫外和可见光）复合的新型器件称为第三代红外焦平面探测器。红外焦平面阵列芯片有单片式和混合式。PtSiCCD红外焦平面阵列是红外探测单元列阵集成在硅材料衬底片上的单片式芯片，红外探测单元为肖
红外焦平面阵列
红外焦平面阵列 红外测量技术2009-12-08 21:07:23 阅读110 评论0 字号：大中小订阅 1、红外焦平面阵列原理 焦平面探测器的焦平面上排列着感光元件阵列，从无限远处发射的红外线经过光学系统成像在系统焦平面的这些感光元件上，探测器将接受到光信号转换为电信号并进行积分放大、采样保持，通过输出缓冲和多路传输系统，最终送达监视系统形成图像。 2、红外焦平面阵列分类 （1）根据制冷方式划分 根据制冷方式，红外焦平面阵列可分为制冷型和非制冷型。制冷型红外焦平面目前主要采用杜瓦瓶/快速起动节流致冷器集成体和杜瓦瓶/斯特林循环致冷器集成体[5]。由于背景温度与探测温度之间的对比度将决定探测器的理想分辨率，所以为了提高探测仪的精度就必须大幅度的降低背景温度。当前制冷型的探测器其探测率达到～1011cmHz1/2W-1，而非制冷型的探测器为～109cmHz1/2W-1，相差为两个数量级。不仅如此，它们的其他性能也有很大的差别，前者的响应速度是微秒级而后者是毫秒级。 （2）依照光辐射与物质相互作用原理划分 依此条件，红外探测器可分为光子探测器与热探测器两大类。光子探测器是基于光子与物质相互作用所引起的光电效应为原理的一类探测器，包括光电子发射探测器和半导体光电探测器，其特点是探测灵敏度高、响应速度快、对波长的探测选择性敏感，但光子探测器一般工作在较低的环境温度下，需要致冷器件。热探测器是基于光辐射作用的热效应原理的一类探测器，包括利用温差电效应制成的测辐射热电偶或热电堆，利用物体体电阻对温度的敏感性制成的测辐射热敏电阻探测器和以热电晶体的热释电效应为根据的热释电探测器。这类探测器的共同特点是：无选择性探测（对所有波长光辐射有大致相同的探测灵敏度），但它们多数工作在室温条件下[6]。 （3）按照结构形式划分 红外焦平面阵列器件由红外探测器阵列部分和读出电路部分组成。因此，按照结构形式分类，红外焦平面阵列可分为单片式和混成式两种[7]。其中，单片式集成在一个硅衬底上，即读出电路和探测器都使用相同的材料，如图1所示。混成式是指红外探测器和读出电路分别选用两种材料，如红外探测器使用HgCdTe，读出电路使用Si。混成式主要分为倒装式（图2(a)）和Z平面式（图2(b)）两种。 （4）按成像方式划分 红外焦平面阵列分为扫描型和凝视型两种，其区别在于扫描型一般采用时间延迟积分（TDI）技术，采用串行方式对电信号进行读取；凝视型式则利用了二维形成一张图像，无需延迟积分，采用并行方式对电信号进行读取。凝视型成像速度比扫描型成像速度快，但是其需要的成本高，电路也很复杂。 （5）根据波长划分 由于运用卫星及其它空间工具，通过大气层对地球表面目标进行探测，只有穿过大气层的红外线才会被探测到。人们发现了三个重要的大气窗口：1mm～3mm的短波红外、3mm～5mm的中波红外、8mm ～14mm的长波红外，由此产生三种不同波长的探测器。 三、读出电路
中短波红外焦平面探测器暗电流测试分析及相关性能研究
中短波红外焦平面探测器暗电流测试分析及相关性能研究 宇宙大爆炸初期宇宙的演变一直是天文学家研究的热点，该时期的宇宙辐射信息主要集中在中短波红外光波段。中短波HgCdTe红外焦平面探测器能同时满足天文观测的低暗电流、大面阵规模和低盲元率的三大需求，被广泛用于天文探测器的研制。 随着中短波HgCdTe红外焦平面探测器的发展，其暗电流越来越小，这就对暗电流I—V特性的测试方法提出了更高的要求。另一方面，HgCdTe红外焦平面探测器的制备工艺过程复杂，导致器件产生盲元的因素较多，使盲元的成因分析变得复杂，同时器件规模的不断扩大，进一步增加了盲元分析的难度。 本文围绕中短波HgCdTe红外焦平面探测器，研究了两种微弱电流测试方法，运用改进后的测试系统测试了中短波HgCdTe探测器的暗电流并结合器件工艺进行了分析，利用数据关联分析以及结合X射线CT成像实验的方法研究了器件中出现“响应率盲元对”的原因。论文的主要内容如下：研究了HgCdTe探测器微弱电流I—V特性测试方法并搭建了新的测试系统，使暗电流I—V特性的测试能力比原有测试方法(系统)提高2~3个数量级。 分析了测试系统噪声的来源，根据不同噪声的特点采取相应的降噪方法，提出了振动引起噪声的机理，并通过改进器件的电学连接方式降低了制冷设备的振动噪声，最终使系统误差小于10fA；计算了实际测试时冷屏辐射引起的暗电流大小，得到了满足中短波HgCdTe探测器暗电流测试需求的全封闭冷屏温度关系；详细分析了测试系统电容效应对器件微弱暗电流I—V特性测试的影响，通过实验确定了满足中短波HgCdTe探测器暗电流测试所需的时序方案。测试并分析了不同衬底中波HgCdTe红外探测器的变温暗电流I—V特性。
低功耗多功能红外焦平面阵列读出电路研究和设计
低功耗多功能红外焦平面阵列读出电路研究和设计低功耗多功能红外焦平面阵列读出电路研究和设计 随着科技的不断发展，红外焦平面阵列成像技术已经被广泛应用于军事、医疗、安防等领域。然而，红外焦平面阵列的读出电路一直是制约其应用的瓶颈之一。为了解决这一问题，研究人员们提出了低功耗多功能红外焦平面阵列读出电路的设计方案。 低功耗是该电路设计的重要特点之一。在传统的红外焦平面阵列读出电路中，由于需要大量的电路元件，功耗较高，导致设备体积大、重量重、成本高等问题。而低功耗多功能红外焦平面阵列读出电路则采用了多种优化措施，如采用低功耗的CMOS工艺、优化电路结构、降低电路噪声等，使得整个电路的功耗大大降低，同时也提高了电路的稳定性和可靠性。 多功能性也是该电路设计的另一个特点。在传统的红外焦平面阵列读出电路中，通常只能实现单一的功能，如增益、滤波、放大等。而低功耗多功能红外焦平面阵列读出电路则采用了多种技术手段，如数字信号处理、自适应滤波、多通道采集等，使得电路具有更加丰富的功能，能够满足不同应用场景的需求。
红外焦平面阵列读出电路的设计也是该电路设计的重要内容之一。在设计过程中，需要考虑到电路的复杂性、功耗、噪声等因素，同时还需要根据具体的应用场景进行优化。例如，在医疗领域中，需要考虑到电路的安全性和稳定性，同时还需要考虑到电路的成本和可靠性等因素。 总之，低功耗多功能红外焦平面阵列读出电路的研究和设计是一个复杂而又重要的课题。通过采用低功耗的CMOS工艺、优化电路结构、降低电路噪声等多种技术手段，使得电路具有更加优异的性能和更加丰富的功能，能够满足不同应用场景的需求。未来，随着科技的不断发展，红外焦平面阵列读出电路的研究和设计将会得到更加广泛的应用和发展。
红外焦平面探测器原理-概述说明以及解释
红外焦平面探测器原理-概述说明以及解释 1.引言 1.1 概述 红外焦平面探测器是一种具有广泛应用价值的光电探测器，它能够对红外辐射进行高效、高灵敏度的检测和测量。红外焦平面探测器的原理是基于材料的红外辐射响应特性以及焦平面阵列的工作原理。 红外焦平面探测器在许多领域中具有重要的应用，包括军事、安防、医疗、航空航天等。它能够实现夜视、目标探测、温度测量等功能，在战争、反恐、火灾救援等工作中发挥着不可替代的作用。 红外焦平面探测器的工作原理是利用材料与红外辐射的相互作用，将红外辐射转化成电信号。通过光学系统将红外辐射聚焦到焦平面阵列上，每个像素都能够独立地检测和测量红外辐射信号。这些信号经过放大和处理后，可以得到目标的红外辐射分布情况和强度。 红外焦平面探测器的核心部件是焦平面阵列，它由众多微小的探测单元组成。这些探测单元通常采用半导体材料，如硅基或砷化镓等。它们具有很高的响应度和灵敏度，能够在较低的红外辐射强度下实现可靠的探测和测量。
随着红外焦平面探测技术的不断发展，红外焦平面探测器的性能和应用领域也在不断扩展。新的材料和工艺的应用使得红外焦平面探测器具有更高的灵敏度、更快的响应速度和更广的波段范围。未来，红外焦平面探测器有望在军事侦察、航空航天探测、医疗诊断等领域取得更多的突破和应用。 1.2文章结构 文章结构部分的内容可以按照以下方式编写： 1.2 文章结构 本文主要围绕红外焦平面探测器的原理展开论述，共分为以下几个部分： 第二部分：红外焦平面探测器的基本原理 这一部分将介绍红外焦平面探测器的基本概念及其组成结构。首先会对红外辐射的特性进行简要描述，为后续理解红外焦平面探测器的工作原理打下基础。然后，将详细介绍红外焦平面探测器的组成结构，包括光学系统、红外感光器件等部分，以帮助读者了解其工作原理的关键要素。 第三部分：红外焦平面探测器的工作原理 这一部分将深入探讨红外焦平面探测器的工作原理。首先会对红外焦
焦平面APD探测器的国内外技术现状和发展趋势
红外焦平面探测器的国内外技术现状和发展趋势 一、焦平面APD探测器的背景及特点 焦平面APD探测器主要是由：APD阵列和读出电路（ROIC)两部分组成，其中APD是核心元件。 1、APD 雪崩光电二极管(APD）是一种具有内部增益的半导体光电转换器件，具有量子响应度高、响应速度快、线性响应特性好等特点，在可见光波段和近红外波段的量子效率可达90％以上，增益在10～100倍，新型APD材料的最大增益可达200 倍,有很好的微弱信号探测能力。 2、APD阵列的分类 按照APD的工作的区间可将其分为：Geiger-mode APD(反向偏压超过击穿电压)和线性模式APD（偏压低于击穿电压）两种。 （1）Geiger—mode APD阵列的特点 优点： 1)极高的探测灵敏度，单个光子即可触发雪崩效应，可实现单光子探测; 2)GM—APD输出信号在100ps量级，即有高的时间分辨率,进而有较高的距离 分辨率，厘米量级； 3)较高的探测效率，采用单脉冲焦平面阵列成像方式； 4）较低的功耗，体积小，集成度高； 5）GM—APD输出为饱和电流,可以直接进行数字处理，读出电路（ROIC)不需 要前置放大器和模拟处理模块，即更简单的ROIC。 缺点： 1）存在死时间效应：GM—APD饱和后需要一定时间才能恢复原来状态，为使 其可以连续正常工作需要采用淬火电路对雪崩进行抑制。 2）GM—APD有极高的灵敏度，其最噪声因素更加敏感,通道之间串扰更严重。 （2)线性模式APD阵列的特点 优点： 1）光子探测率高，可达90％以上; 2）有较小的通道串扰效应; 3）具有多目标探测能力； 4）可获取回波信号的强度信息； 5）相比于GM—APD，LM—APD对遮蔽目标有更好的探测能力. 缺点： 1）灵敏度低于GM-APD;（现今已经研制出有单光子灵敏度的LM-APD） 2）读出电路的复杂度大于GM-APD（需对输入信号进行放大、滤波、高速采样、阈值比较、存储等操作）.（其信号测量包括强度和时间测量两部分) 按照基底半导体材料APD可分为： Si APD、Ge APD、InGaAs APD、HgCdTe APD。 其中Si的由于波长在1um左右，由于材料限制很难做到大于32＊32的阵列，再考虑到人眼安全以及军事对高功率激光的需求，工作波长在：1.5um的InGaAs APD 及HgCdTe APD为研究的热点内容。
高灵敏度低噪声短波红外铟镓砷焦平面用64×64元读出电路设计
高灵敏度低噪声短波红外铟镓砷焦平面用64×64元读出电路设 计 随着红外技术的发展,短波红外铟镓砷(Indium Galium Arsenide,In Ga As)焦平面探测器越来越广泛地应用于航空航天、军事、民用检测等领域。近几年,随着红外铟镓砷焦平面阵列性能的不断提高,同时暗电流水平不断降低,铟镓砷 焦平面探测器在微光夜视环境下成像领域展现出了巨大的潜力。 提高铟镓砷焦平面探测器的灵敏度、抑制探测器读出电路的噪声对探测器在微光夜视条件下成像具有重要意义。本文首先介绍了短波红外铟镓砷焦平面探测器的应用背景和发展状况,然后对它的构成和工作原理进行了。 重点分析了焦平面用64×64元读出电路的构成和工作原理、读出电路的噪声,并在此基础上设计了焦平面用64×64元读出电路。论文主要工作如下:1.输入级是64×64元读出电路噪声的主要来源,为抑制读出电路的输入级噪声,采用单端运算放大器做输入级的积分运放,减少了运放的MOS管个数,以抑制积分运 放的热噪声。 采用小电容来做读出电路输入级的积分电容,通过提高增益减小等效输入噪声电子数,积分电容为1f F到10f F以进行对比观察。64×64元读出电路整体 功耗低至9.0m W,1f F时读出电路噪声设计计算结果9.6e。 2.采用小积分电容不仅可以抑制读出电路的噪声,同时也可以提高焦平面探测器的灵敏度。对比Native NMOS管电容、MIM电容、MOM电容的特点和优势, 考虑版图工艺的均匀性及电路要求后,采用MOM电容做读出电路的小积分电容。 3.采用0.18μm工艺设计了铟镓砷焦平面用64×64元读出电路,包括输入级、相关双采样电路、单元结构输出级、行列移位寄存器、列缓冲级、列缓冲级开关
红外焦平面阵列的CMOS读出电路结构评述
红外焦平面阵列的CMOS读出电路结构评述红外焦平面阵列（IRFPA）是一种非常重要的红外探测器件，能够广 泛应用于红外成像、无人机导航、夜视仪等领域。CMOS（互补金属氧化物 半导体）读出电路是红外焦平面阵列的重要组成部分，起到信号增益、噪 声抑制和信号转换等功能。在本文中，我们将对红外焦平面阵列的CMOS 读出电路结构进行评述。 CMOS（互补金属氧化物半导体）是一种集成电路技术，其核心特点是 以低功耗、低电压的方式工作，同时拥有较高的集成度和集成度。在红外 焦平面阵列的CMOS读出电路中，CMOS技术能够有效的实现大规模集成和 多功能集成，使得红外图像传感器具有更高的灵敏度、更低的功耗和更高 的图像质量。 红外焦平面阵列的CMOS读出电路结构通常包括像元电路、选通开关 电路、采样保持电路和输出电路等四个主要部分。其中，像元电路是红外 焦平面阵列中最基本的部分，用于接收和转换红外光信号。选通开关电路 用于控制分时读出像元电路中的信号，具有较低的功耗和较好的信号选择 性能。采样保持电路用于保持像元电路中的信号，以提高信号的采样精度 和减少电荷传输时的噪声。输出电路将采样保持的信号进行放大和滤波， 最终输出数模转换后的红外图像信号。 在红外焦平面阵列的CMOS读出电路中，像素数组通常采用扫描方式，即逐行或逐列的方式进行像素数据的读出和传输。这种扫描方式可以有效 提高像素的数据读取速度和信号的时序控制。同时，CMOS读出电路中还 需要考虑信号的放大、滤波和调节等问题。放大电路用于提高红外信号的 幅度，滤波电路用于去除测量信号中的噪声干扰，调节电路用于调节红外 图像的亮度和对比度。
红外焦平面读出电路片上驱动电路设计
红外焦平面读出电路片上驱动电路设计 黄张成;黄松垒;张伟;陈郁;方家熊 【期刊名称】《激光与红外》 【年(卷),期】2011(041)002 【摘要】线列红外焦平面读出电路在正常工作时需要提供多路数字脉冲和多路直流偏置电压.本文基于0.5 μm CMOS工艺设计了一款驱动电路芯片,为电容负反馈放大型(CTIA)读出电路(ROIC)提供驱动信号.电路芯片采用带隙基准电路产生低噪声低温漂的直流偏置电压,采用数字逻辑电路生成CLK1,CLK2,RESET等八路数字脉冲.仿真及测试结果表明:驱动电路芯片输出的数字脉冲及偏置电压符合设计值,可驱动CTIA型线列红外焦平面读出电路稳定工作.%Readout integrated circuit (ROIC) of linear infrared focal plane array (FPA) with capacitive trans-impedance amplifier (CTIA) should be applied with clock pulses and DC bias voltage. In this paper,a method of designing clock pulses and DC voltage for linear infrared FPA CTIA ROIC is presented. The DC voltage ( about 2.6 V) is generated by bandgap reference circuit, and the eight clock pulses ( CLK1, CLK2, RESET, SH1N, SH1P, SH2N, SH2P and ST) are generated by a digital logic circuit with two input signals (CLK and LSYNC). Simulation and test results show that this driving circuit can drive FPA steadily. 【总页数】4页(P220-223) 【作者】黄张成;黄松垒;张伟;陈郁;方家熊
读出电路噪声分析
读出电路噪声分析 前言 噪声是制约红外读出电路性能的主要因素之一，它限制了探测器对微小电流的识别能力。读出电路主要是由MOS 管和与MOS 工艺兼容的电容组成的，电容和MOS 管都会产生噪声，其中电容的噪声是因为制造不均匀所产生空间阵列噪声，而MOS 管的噪声是由于其固有特性引起的，并且是读出电路中主要的噪声源。 读出电路的噪声按产生机制来说主要分为三大类：一是器件固有的噪声如热噪声和1/f 噪声以及散粒噪声；二是由电路结构和工作方式引起的噪声，如KTC 噪声和衬底噪声；三是制造误差引起的空间噪声，如固定图形噪声。为了了解噪声的特性，需要对各种噪声的产生原因进行分析。 1/f 噪声 1/f 噪声又叫闪烁噪声，是MOS 管的一种固有噪声。噪声的产生原因是MOS 管是表面型器件，衬底和二氧化硅的接触面存在界面态和缺陷，由于这些界面态和缺陷能俘获载流子，使得表面电荷产生起伏，从而在栅极产生噪声电压。1/f 噪声可以用串联在栅极的电压源来模拟，近似的噪声电压可以表示为： f WL C K ox 1V 2n •= 其中K 是与工艺有关的参数，C ox 是单位面积氧化层电容，W 和L 是MOS 管宽度和有效长度，f 是频率。 由上式可以知道1/f 噪声与f 成反比，故这种噪声在低频时比较突出，主要表现在20kHZ 以下，所以1/f 噪声也称为低频噪声。从噪声电压与WL 的反比关系可以看出，要减少 1 f 噪声的方法就是必须增加器件面积。PMOS 晶体管输送空穴是在“埋沟”中，也就是在距氧化物和硅界面有一定距离的地方，另一方面在CMOS 电路中PMOS 管的宽长比一般比NMOS 大，在采用工艺最短沟道长度时，面积比NMOS 管大，故 PMOS 晶体管的 1/f 噪声比 NMOS 晶体管的低，所以，用 PMOS 晶体管来代替 NMOS 晶体管能降低电路的 1/ f 噪声。 固定图形噪声（FPN ） 由于半导体材料和制造工艺等原因，读出电路每个像素单元 不可能完全一样而会出现偏差，所以当输入相同的探测信号时，读出的结果也会不一致，称这种阵列电路所特有的空间噪声为固定图形噪声（Fixed Pattern Noise ）。 一般来说，材料和制造工艺给像素电路带来的偏差表现为相同MOS 管尺寸的不一致以及相同尺寸MOS 管阈值电压的不同。前者的偏差对于目前的高精度集成电路加工工艺来说，一般都比较小，其对噪声的影响也不大。但是阈值电压的偏差对于模拟电路性能的影响是比较严重的，尤其对于象红外焦平面阵列读出电路这样的微弱模拟信号处理电路来说更是如
小像元红外探测器读出电路设计研究
小像元红外探测器读出电路设计研究 岳冬青; 吉晶晶; 宁提 【期刊名称】《《激光与红外》》 【年(卷),期】2019(049)009 【总页数】5页(P1130-1134) 【关键词】信号串扰; 电荷处理能力; 动态范围; 噪声 【作者】岳冬青; 吉晶晶; 宁提 【作者单位】华北光电技术研究所北京100015 【正文语种】中文 【中图分类】TN214 1 引言 减小像元间距是红外探测器发展的趋势,采用大像元红外探测器设计,探测器可获得较低的噪声等效温差,但经光学系统的调制后,损失了探测系统的作用距离。采用小像元红外焦平面探测器,为红外探测系统设计带来了很大的灵活性,原因之一是能使红外探测器小型化,在像元数一定的情况下,探测器变得越紧凑,需要的功率越少；原因之二是能提高系统分辨率,增加探测距离,据介绍10 μm像元间距探测器比15 μm像元间距探测器的探测距离远20 %以上,光学孔径达到F/4。 读出电路芯片的作用是收集探测器阵列二极管的光电流,通过将收集的电荷积分、放大和顺序读出转化为系统能识别的电学信号。在背景辐射通量一定的情况下,像
元尺寸降低使读出电路的动态范围成为了设计关键点。为提高信噪比,读出电路的电荷存储容量必须做到足够大,而电荷存储容量又是与探测器像元面积成正比的,另外,像元尺寸缩小使输入级间的电路面积缩小,元与元之间、列信号处理电路、通道与通道之间的距离也随之缩小,使得信号串扰增大[1-2]。 本文详细介绍了10 μm间距小像元1024×1024红外探测器读出电路的设计研究,设计基于SMIC 0.18 μm 3.3 V工艺,对小像元电路特有的串扰问题进行了分析；电路采用了低阈值管进行设计,有效地提高了信号输出摆幅,提高了动态范围；版图设计对关键信号线和敏感点进行了隔离处理,有效控制了信号串扰和奇偶行的差异,文章最后给出了电路测试结果,各项功能正常,性能优良。 2 电路设计 2.1 输入级结构 小尺寸像元间距增加了读出电路复杂性并限制了其性能。输入级结构要求储存的电荷足够多,目前输入级结构大多采用的主要是直接注入(DI)、电容互阻抗放大器(CTIA)和每个探测器的源跟随器(SFD)。 直接注入DI结构有许多优点,如像元中没有功耗,除积分电容和读出电容外,周围电路只需要很小的空间,这种结构适用于小像元间距的大规模阵列,它的缺点是注入效率较低。 SFD结构是利用光电二极管的结电容做积分电容,占用空间小,像元无需功耗。但缺点一是为获取高信噪比需要在光电二极管上加高偏压,二是线性度差,另外SFD对光电二极管的IV特性及阵列的一致性要求很高。 CTIA结构适用于小输入电流,但在像元中占据比DI太多的空间,并且增加了像元内功耗,对于大阵列小间距的情况不太合适。有资料介绍,10 μm像元采用DI结构能处理的电子数是CTIA结构的4倍多,功耗却只有CTIA结构的1/3[3]。 综合各种因素,输入级选取DI结构是最佳的,为增大电荷处理能力工作方式选用ITR,
碲镉汞双色红外焦平面读出电路研究进展
碲镉汞双色红外焦平面读出电路研究进展 白丕绩;赵俊;刘会平;周连军;李东升;姚立斌 【摘要】The development background and current status of MCT dual-band infrared focal plane array in US,UK and France were presented. The architecture types of MCT dual-band infrared focal plane array and design characteristic of read out integrated circuit were discussed in detail. At last the research progress of ROIC for MCT dual-band infrared focal plane array in Kunming Institute of Physics was introduced. The128×128 ROIC used for two-indium-bump, semi-planar MCT dual-band detector was developed. The 640×512 ROIC used for one-indium-bump, stack MCT dual-band detector was developed. The test results show such two kinds of ROIC have good performance at 77K temperature,and the performance measures are similar to the ROIC chips abroad.%介绍了碲镉汞（MCT）双色红外焦平面探测器的研制背景，及美、英、法等西方发达国家的发展现状。从读出电路（ROIC）设计角度出发，重点阐述了上述3个发达国家的碲镉汞双色焦平面器件结构类型和相应读出电路设计特点。最后介绍了国内昆明物理研究所在碲镉汞双色焦平面读出电路研究方面取得的进展。昆明物理研究所研制出两种碲镉汞双色焦平面读出电路，一种是适用于双铟柱半平面器件结构的128×128双色信号同步积分读出电路，另外一种是适用于单铟柱叠层器件结构的640×512双色信号TDMI（时分多路积分）读出电路。两种读出电路芯片在77 K 条件下正常工作，主要功能及性能指标与国外同类产品相当。 【期刊名称】《红外技术》
红外焦平面成像技术发展现状
红外焦平面成像技术发展现状 姓名：高洁班级：11级硕研1班学号：S11080300007 摘要 红外焦平面列阵成像技术已经进入了成熟期。本文对几种红外焦平面列阵器件如MCT、Insb 和QWIP 的最新进展作一评述，简要介绍其器件发展水平、技术路线和关键工艺。简要提及一种新颖的非制冷焦平面成像技术：光学读出微光机红外接收器。 关键词：红外焦平面列阵；碲镉汞；锑化铟；量子阱红外探测器 Abstract Infrared focal plane array (IRFPA) imaging technology has been matured during the passed decade. In this paper an overview of recent progress to several kind of IRFPA such as MCT, Insb and QWIP is provided , focusing on new device development, technical lines and key technologies. Also, a new type of uncooled FPA imaging technigue micro !optomechanical infrared receiver with optical readout is briefly introduced. Key words: IRFPA; MCT; Insb; QWIP 引言 红外探测器技术在20 世纪90 年代取得了飞速发展。红外焦平面列阵成像技术进入了成熟期。高性能大规格焦平面列阵已正式地应用于各种重大国家安全项目中，例如弹道导弹防御计划和重要新型武器系统。另外，新型非制冷红外焦平面技术的涌现正在促进红外技术走向第三代。美国人预言，未来几年美国红外市场将出现年均30%的连续高速增长[1]。本文简要评述了几种红外焦平面列阵器件技术的最新进展。 1. 碲镉汞红外焦平面器件 1.1器件和材料发展水平 通过调整碲镉汞(MCT)材料的组分，可以方便地调节其材料的禁带宽度，器件可以响应多个红外波段范围，因此，MCT 受到各国的高度重视。MCT 焦平面列阵器件在短波(1~3 μm)、中波(3~5μm )、长波(8~12μm )和甚长波(12~18μm )各个波段取得了全面进展。 1.1.1 短波MCT 焦平面 波音北美公司和洛克威尔科学中心合作，在替代衬底PACE-1 上生长的MCT 薄膜材料制造了大规模的焦平面列阵。低背景天文应用，代号为Hawaii-2 的器件性能参数如表1 所示[2]。多光谱遥感应用的1024*1024 元FPA，截止波长2.5 μm，在1.2*1011 phs/cm2 s 背景水平和115 K 工作温度下的平均探测率达到2.3*1013 cmHZ1/2W-1，非均匀性12.5%，量子效率74%，77 K 下平均暗电流仅为0.02 e-/s，有效像元率99.1%，100 次热循环脱焊率<0.2%[3]。
红外感应电路 低功耗
红外感应电路低功耗 一、引言 红外感应电路是一种广泛应用于许多领域的技术，它通过检测并解释红外线信号来实现各种功能。低功耗是一个重要的设计目标，因为它可以延长电池寿命、降低能源消耗，并提高设备的可靠性。本文将探讨红外感应电路的低功耗设计原理和方法。 二、低功耗设计原理 2.1 理解功耗和能耗 在开始设计低功耗的红外感应电路之前，我们首先需要理解功耗和能耗的概念。功耗是指电路在单位时间内消耗的能量，通常以瓦特（W）为单位。能耗是指电路在 使用过程中总共消耗的能量，通常以焦耳（J）为单位。低功耗设计的目标是降低 功耗，从而减少能耗。 2.2 降低待机功耗 红外感应电路在待机状态下功耗较高，因此降低待机功耗是低功耗设计的重点。可以通过以下方式来实现： 1.采用低功耗的微控制器或集成电路。选择功耗较低的组件可以降低待机功耗。 2.使用睡眠模式。在待机状态下，将微控制器或集成电路切换到睡眠模式，以 降低功耗。 3.控制外部设备的供电。当红外感应电路处于待机状态时，可以切断或降低外 部设备的供电，以降低功耗。 2.3 优化工作模式功耗 除了待机状态外，工作状态下的功耗也需要被优化。以下是一些有效的方法： 1.优化电源管理。使用低功耗的电源管理芯片可以降低工作状态下的功耗。 2.降低时钟频率。将微控制器或集成电路的时钟频率降低到最低限度，并根据 实际需求动态调整，可以有效减少功耗。
3.合理使用中断。使用中断可以在需要时唤醒红外感应电路，而不需要全天候 监测，从而降低功耗。 三、低功耗设计方法 3.1 采用红外高灵敏度传感器 为了降低功耗，我们可以选择功耗较低且具有高灵敏度的红外传感器。这样可以在保证准确性的同时，降低电路的功耗。 3.2 优化红外信号解析算法 红外感应电路的主要任务是解析红外信号，识别移动或其他特定的事件。通过优化算法，可以在减少计算量的同时提升效率，从而降低功耗。 3.3 有效利用红外信号 在使用红外感应电路时，我们可以通过以下方式有效利用红外信号，从而降低功耗：1.减少信号采样频率。根据实际需求，可以降低红外信号的采样频率，以减少 功耗。 2.优化信号处理流程。通过优化信号处理流程，可以减少计算复杂度和功耗。 四、低功耗设计实例 以下是一个使用低功耗设计原理和方法的红外感应电路的实例： 1.选择功耗较低的红外传感器和微控制器。 2.在待机状态下，将微控制器切换到睡眠模式，并降低外部设备的供电。 3.使用低功耗的电源管理芯片，降低工作状态下的功耗。 4.将微控制器的时钟频率降低到最低限度，并根据需要动态调整。 5.合理使用中断，只在需要时唤醒红外感应电路。 6.选择功耗较低且具有高灵敏度的红外传感器。 7.优化红外信号解析算法，减少计算量和功耗。 8.减少红外信号的采样频率，并优化信号处理流程。 通过上述设计方法，我们可以实现低功耗的红外感应电路，从而延长电池寿命，降低能源消耗，并提高设备的可靠性。
红外焦平面阵列技术发展现状与趋势
红外焦平面阵列技术发展现状与趋势 跨入二十一世纪以来;红外热摄像技术的发展已经历了三十多个年头..其发展已从当初的机械扫描机构发展到了目前的全固体小型化全电子自扫描凝视摄像;特别是非致冷技术的发展使红外热摄像技术从长期的主要军事目的扩展到诸如工业监控测温、执法缉毒、安全防犯、医疗卫生、遥感、设备先期性故障诊断与维护、海上救援、天文探测、车辆、飞行器和舰船的驾驶员夜视增强观察仪等广阔的民用领域.. 红外热摄像技术的发展速度主要取决于红外探测器技术取得的进展..三十年来;红 外探测器技术已从第一代的单元和线阵列发展到了第二代的二维时间延迟与积分 TDI8～12μm的扫描和3～5μm的640×480元InSb凝视阵列;目前正在向焦平面超高密度集成探测器元、高性能、高可靠性、进一步小型化、非致冷和军民两用技术的方向发展;正在由第二代阵列技术向第三代微型化高密度和高性能红外焦平面阵列技术方向发展.. 1 发展现状 1.1 超高集成度的焦平面探测器像元 像可见光CCD光纤通信工业应用使其具有大批量生产的能力;因而几年来日益受到重视;美国传感器无限公司在DARPA 和NVESD支持下正在加速发展这种非致冷的红外 焦平面阵列和摄像机技术;其阵列尺寸已达到320×240元.. ·HgCdTe阵列：由于军用目的的需求;过去这种材料焦平面阵列技术的发展主要集中于中波和长波红外波段应用;但洛克威尔国际科学中心却一直在发展1～3μm波段工作的HgCdTe焦平面阵列技术;其主要目的是天文和低背景应用;该中心在90年代中期已制出HQWAⅡ-1 1024×1024元阵列;目前已研制成功世界上最大的HQWAⅡ-2型2048×2048元的阵列;该中心正在计划研制4096×4096元的特大型阵列.. 在3～5μm的中波红外焦平面阵列方面：中波红外焦平面阵列技术的发展一直是红外焦平面中发展最快的;主要有PtSi、InSb和HgCdTe三种阵列;其阵列规模已达到 2048×2048元400万元.. ·PtSi阵列已形成大批量生产能力;典型阵列有 640×480;801×512;1024×1024;1040×1040;柯达公司新近推出的产品高达1968×1968元;其阵列规模已接近于400万元;HgCdTe中波焦平面阵列是目前所有焦平面中波工作 阵列中集成度高;最引人注目的;洛克威尔国际科学中心在这方面的发展处于世界领先地位;除了640×480和1024×1024元的天文应用阵列外;近期已准备提供用户使用的阵列 为2048×2048元;并正在采用拼接技术研制4096×4096元的阵列;但工作温度低于77K.. ·InSb阵列是这个波段应用中深受重视的器件;主要是低背景天文应用阵列规格达1024×1024元;典型阵列还有640×480和640×512元.. 在长波红外焦平面阵列方面;主要集中于HgCdTe;GaAlAs/GaAs多量子阱阵列;SiGe 异质结构阵列和非致冷红外焦平面阵列四种.. HgCdTe阵列的发展一直较为缓慢;近几年