非制冷紅外焦平面探測(cè)器芯片一體化設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、非制冷紅外探測(cè)器已廣泛地應(yīng)用于軍事、邊防、消防、工業(yè)檢測(cè)、交通等各個(gè)領(lǐng)域，人們對(duì)于探測(cè)器的性能要求也越來(lái)越高；為滿足此要求，開(kāi)展高性能探測(cè)器芯片研究應(yīng)運(yùn)而生。高性能意味著具有更高信噪比、更高效率，非理想效應(yīng)的自適應(yīng)補(bǔ)償功能；同時(shí)還應(yīng)滿足大陣列、輕質(zhì)量等需求。本文以完成高性能非制冷紅外探測(cè)器芯片一體化設(shè)計(jì)為目標(biāo)，研究了一體化設(shè)計(jì)高性能系統(tǒng)芯片所需的主要關(guān)鍵技術(shù)。所涉及到的關(guān)鍵技術(shù)包括：探測(cè)器像元建模技術(shù)、探測(cè)器溫度補(bǔ)償技術(shù)、探測(cè)器芯片片上

2、ADC技術(shù)、探測(cè)器芯片非均勻性校正技術(shù)、探測(cè)器芯片數(shù)字控制技術(shù)。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴通過(guò)數(shù)學(xué)推導(dǎo)和參數(shù)仿真，提出了涵蓋器件光-熱-電多物理場(chǎng)特性的線性模型，其可供電學(xué)設(shè)計(jì)平臺(tái)使用，以輔助探測(cè)器系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)。該模型與經(jīng)典模型在探測(cè)器溫度變化40K時(shí)偏差小于5％，具有良好的精度。⑵針對(duì)自熱效應(yīng)提出使用片上電流DAC或片上電阻DAC的方式進(jìn)行補(bǔ)償。針對(duì)襯底溫度導(dǎo)致的非理想效應(yīng)提出引入補(bǔ)償盲像元的方案用于補(bǔ)償襯底溫度的影響。對(duì)于

3、電壓偏置型紅外讀出電路，以采樣運(yùn)放跨阻的形式引入補(bǔ)償盲像元；對(duì)于電流偏置型紅外讀出電路，以積分器積分電阻的形式的引入補(bǔ)償盲像元。利用像元一體化設(shè)計(jì)模型仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)。經(jīng)樣片測(cè)試后在溫度變化為80K時(shí)，采用所提溫度補(bǔ)償技術(shù)的探測(cè)器的輸出變化率約為20%，其響應(yīng)率變化率約為40%。⑶由使用像元一體化設(shè)計(jì)模型的讀出電路仿真結(jié)果提出片上ADC的性能需求，然后分別研究芯片級(jí)ADC和列級(jí)ADC。在芯片級(jí)ADC方面，以Pipeline ADC為代表展開(kāi)

4、研究。首先基于Matlab設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了一套Pipeline ADC功耗優(yōu)化結(jié)構(gòu)軟件，并由該軟件確定了兩種低功耗Pipeline ADC結(jié)構(gòu)。然后提出了一種基于擾動(dòng)注入（Dither）和動(dòng)態(tài)元件匹配（Dynamic Element Match，DEM）的數(shù)字后臺(tái)算法，以及一種準(zhǔn)實(shí)時(shí)校準(zhǔn)的數(shù)字前臺(tái)校準(zhǔn)方案，該方案可同時(shí)實(shí)現(xiàn)連續(xù)性校準(zhǔn)和增益校準(zhǔn)，并將它們分別應(yīng)用到所提低功耗結(jié)構(gòu)中。由實(shí)物樣品測(cè)試知，使用數(shù)字后臺(tái)算法的Pipeline ADC功

5、耗為299.93mW，DNL為+0.84LSB/-0.94LSB，INL為+0.99LSB/-1.19LSB；而使用數(shù)字前臺(tái)算法的Pipeline ADC功耗為280.96mW，DNL為+0.86LSB/-0.75LSB，INL為+1.53LSB/-1.41LSB。在列級(jí)ADC方面，以Single Slope ADC為代表展開(kāi)研究。為了提高Single Slope ADC的轉(zhuǎn)換速率，本文提出了半周期計(jì)數(shù)法、兩步比較法以及行劃分法三種方案

6、；為加強(qiáng)Single Slope ADC信號(hào)在探測(cè)器芯片上遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)的準(zhǔn)確性，提出了電流傳輸方案，避免信號(hào)誤碼。通過(guò)將補(bǔ)償盲像元引入ADC參考電壓的產(chǎn)生電路，獲得了具有溫度補(bǔ)償功能的Single Slope ADC，該結(jié)構(gòu)可稱為數(shù)字溫度補(bǔ)償結(jié)構(gòu)。通過(guò)樣品測(cè)試，單個(gè)該Single Slope ADC實(shí)際21.86mW，估算其應(yīng)用于1280×1024陣列時(shí)的總功耗為290.19mW，DNL為+0.72LSB/-0.71LSB，INL為+1

7、.18LSB/-1.09LSB。當(dāng)襯底溫度變化80K時(shí)，輸出數(shù)字碼658個(gè)數(shù)字碼，占數(shù)字動(dòng)態(tài)范圍的16.1%，響應(yīng)率變化率為40.6%。⑷對(duì)于電壓偏置結(jié)構(gòu)、電流偏置結(jié)構(gòu)，本論文提出以片上電壓DAC調(diào)節(jié)它們的跨阻運(yùn)放參考電壓，從而實(shí)現(xiàn)一點(diǎn)溫度補(bǔ)償。針對(duì)該方法設(shè)計(jì)了一種精度和范圍可調(diào)的片上電壓DAC，該DAC具有4種電壓調(diào)節(jié)范圍。由樣片測(cè)試，電壓偏置結(jié)構(gòu)的FNP可降低為11.8mV，電流偏置結(jié)構(gòu)的FNP被降低到10.4mV。對(duì)于數(shù)字溫度補(bǔ)償