本文针对大规模高帧频读出电路的数字信号输出建立了高速数据传输模型。首先由集**数模型得到传输电路 3 dB带宽及响应时间常数与各器件参数之间的关系，指明了输出级 MOS管的尺寸及传输线负载是决定高速时域响应特性的关键参数。进一步采用分布参数模型，利用 Elmore延时模型更精确地确定了响应时间常数的数学解析式，获得了可使带宽最大化的输出级尺寸的最优设计。仿真结果表明，在典型的 64×64面阵功耗和面积约束条件下，优化后传输门和复合逻辑门两种三态传输电路的输出 3 dB带宽分别可达 293 MHz和 395 MHz。

针对标准CMOS工艺的单光子雪崩探测器 (Single Photon Avalanche Detector, SPAD), 设计了一种可用于自由运转模式的高速淬灭电路。为了实现淬灭电路的功能设计与精准仿真, 根据实测的SPAD电流-电压曲线拟合得到了电流与电压间的多段式函数解析式, 进一步建立了SPAD器件的Verilog-A行为级模型并与淬灭电路进行集成仿真与验证。淬灭电路采用基于电容感应的主被动淬灭结构, 利用可变MOS电容的延迟电路实现了关断时间 (Hold-off Time) 的灵活调节。仿真结果表明, 所设计淬灭电路的淬灭时间和恢复时间分别为1.0和1.2ns, 关断时间调节范围为1.02~3.55μs, 可以满足自由运转CMOS SPAD的应用需求。

短波红外InGaAs 焦平面探测器具有探测率高、均匀性好等优点, 在航天遥感、微光夜视、医疗诊断等领域具有广泛应用。近十年来, 中国科学院上海技术物理研究所围绕高灵敏度常规波长(0.9～1.7 μm)InGaAs焦平面、延伸波长(1.0～2.5 μm)InGaAs焦平面以及新型多功能InGaAs探测器取得了良好进展。在常规波长InGaAs焦平面方面, 从256×1、512×1元等线列向320×256、640×512、4 000×128、1 280×1 024元等多种规格面阵方面发展, 室温暗电流密度优于5 nA/cm2, 室温峰值探测率优于5×1012 cm·Hz1/2/W。在延伸波长InGaAs探测器方面, 发展了高光谱高帧频1 024×256、1 024×512元焦平面, 暗电流密度优于10 nA/cm2和峰值探测率优于5×1011 cm·Hz1/2/W@200 K。在新型多功能InGaAs探测器方面, 发展了一种可见近红外响应的InGaAs探测器, 通过具有阻挡层结构的新型外延材料和片上集成微纳陷光结构, 实现0.4～1.7 μm宽谱段响应, 研制的320×256、640×512焦平面组件的量子效率达到40%@0.5 m、80%@0.8 m、90%@1.55 m; 发展了片上集成亚波长金属光栅的InGaAs偏振探测器, 其在0 °、45 °、90 °、135 °的消光比优于20:1。

高增益探测对 InGaAs焦平面探测器在微光夜视条件下成像有重要意义。设计了一款 InGaAs焦平面用的高增益低噪声 64×64元读出电路。读出电路输入级采用 CTIA模式（电容负反馈放大），通过计算发现输入级运算放大器热噪声是主要噪声源，采用单端替代差分运放将输入级噪声降低 26%。同时，研究积分电容和增益、满阱容量、噪声的关系，将积分电容降低到 1 fF，实现了超高增益和低噪声探测。读出电路采用 0.18 .m工艺设计，像元中心距为 30 .m。经过 PEX（寄生参数提取）参数提取，实际积分电容为 0.94 fF，经过测试芯片整体功耗低至 24.1 mW，电路噪声电子数为 4.37e。

物联网光谱分析技术的兴起，推动近红外光谱传感器向着微型化、数字化和智能化方向发展。针对InGaAs焦平面数字化、智能化的发展需求，研究InGaAs光谱组件输出数字化方案。设计一种集成自研ADC的数字化光谱传感电路，并研制了新型微型近红外光谱节点。该节点内部集成202个有效光谱通道，波长范围为900~1 700 nm，光谱分辨率优于16 nm，波长准确性小于1 nm，波长重复性优于0.3 nm，节点系统信噪比约为500:1，帧扫描时间约3 ms。研究结果表明：该微型物联网光谱节点满足近红外光谱分析实际应用需求，为传感器片上数字化输出发展和近红外光谱分析物联网应用提供技术支持。

提出了一种适用于短波红外铟镓砷线性焦平面的数字化输出研究.针对实验室自主研制出的短波红外256×1铟镓砷焦平面, 结合SAR ADC的基本原理, 以高分辨率、低功耗、小面积为设计原则, 设计一款逐次逼近(SAR)模数转换器.ADC采用0.18 μm CMOS工艺流片, 采用3.3 V电压供电, 采样率235 KS/s, 功耗460 μW, 信噪比66.6 dB.将ADC芯片与256×1铟镓砷焦平面在变积分时间条件下进行耦合测试.结果表明ADC芯片可以满足短波红外线列256×1铟镓砷焦平面的应用需求.

中科院上海技物所近十年来开展了高性能短波红外InGaAs 焦平面探测器的研究。0.9～1.7 ?m近红外InGaAs 焦平面探测器已实现了256×1、512×1、1024×1 等多种线列规格，以及320×256、640×512、4000×128 等面阵，室温暗电流密度＜5 nA/cm2，室温峰值探测率优于5×1012 cm?Hz1/2/W。同时，开展了向可见波段拓展的320×256 焦平面探测器研究，光谱范围0.5～1.7 ?m，在0.8 ?m 的量子效率约20%，在1.0 ?m 的量子效率约45%。针对高光谱应用需求，上海技物所开展了1.0～2.5?m 短波红外InGaAs 探测器研究，暗电流密度小于10 nA/cm2@200K，形成了512×256、1024×128等多规格探测器，峰值量子效率高于75%，峰值探测率优于5×1011 cm?Hz1/2/W。

截止波长为2.5μm的延伸波长InGaAs探测器在航天航空遥感等领域有着重要应用。由于晶格失配，相同温度下它的暗电流比截止波长为1.7μm的常规InGaAs探测器高2~3个数量级。从焦平面的耦合接口出发，研究了一种新型的Autozero输入级电路，通过大幅降低输入失调电压来减小耦合接口处延伸波长InGaAs器件的偏置电压和暗电流。在CTIA采样反馈回路中设计了一种双电源电压工作的反相器，通过消除开关管两端电压差抑制了非理想开关漏电对采样失调电压的影响。分析了输入端采样电容和失调电压的关系，优化设计后仿真实现了16.5μV的低失调电压。

针对中大规模红外焦平面对高速读出的需求,研究并设计了一款20 MPixel/s红外焦平面高速读出电路。读出电路单元电路由电容负反馈运放输入级、相关双采样、源随输出级电路组成,总线输出级采用基于低功耗推挽运放的跟随器结构。研究了输出级运放像元信号建立时间和负载电容的关系,给出了20 MPixel/s高速读出的负载电容适用范围。采用0.5 μm Mixed Signal CMOS工艺研制了一款红外焦平面高速读出电路芯片,和InGaAs光敏芯片耦合后实测读出速率达到20 MPixel/s,像元信号之间最大上升时间为17 ns。