红外与激光工程
2024, 53(1): 20230364
1 中国科学院上海技术物理研究所 传感技术联合国家重点实验室，上海 200083
2 中国科学院上海技术物理研究所 中国科学院红外成像材料与器件重点实验室，上海 200083
3 中国科学院大学，北京 100049
4 上海科技大学，上海 201210
红外焦平面探测器正朝着更大规模、高帧频、高集成度的方向发展。在高速目标跟踪探测、感兴趣区域成像等应用场景，需要解决高速读出时面临的功耗较高的难点。文中提出了一种数字IC的可编程开窗IP核设计，并通过采用列级分时选通技术，实现对640×512读出电路列模块的超低功耗优化。像素单元电路包含CTIA输入级、双采样保持结构和跟随输出，折衷优化了面积、噪声和增益等因素。相较于传统用门级电路定制设计实现的开窗方式，可编程开窗数字IP核对于不同面阵规格具有良好的可扩展性，并且可以借助后端软件综合优化版图布局，从而缩短设计周期。实际研制中采用0.18 µm 标准CMOS工艺完成了中心距15 µm的640×512读出电路设计及流片验证，并与640×512元短波红外InGaAs探测器芯片进行了耦合测试，结果表明分时选通技术有效降低了列级电路功耗，电路读出总功耗小于80 mW，列级功耗仅为15 mW，读出速率达到15 MHz，可编程开窗IP核功能正常，可以实现指定区域的开窗功能。
可编程随机开窗 分时选通技术 读出电路 铟镓砷 短波红外 programmable arbitrary windowing time-selection technology ROIC InGaAs short-wave infrared 红外与激光工程
2023, 52(12): 20230241
半球谐振陀螺具有结构简单、抗辐射与冲击、寿命长、可靠性高等优点，其中驱动电路是获取高精度陀螺信号的关键。对影响半球谐振陀螺性能指标的单元电路展开了研究及优化设计，基于微弱信号处理、滤波等技术研究了提高检测电压稳定的方法。采用 Tina-TI软件对设计电路的性能进行了仿真，实现了增益 40dB、噪声 4.81μV/Hz的整体电路设计。搭建陀螺样机测试了电路，根据实验结果给出了 HRG不同叠加激励信号的作用下其输出信号的演变趋势。结果表明：随着直流、交流电压的增加，均会增大半球谐振陀螺输出信号的幅值；当激励信号电压不变时，交流信号的频率改变也会影响半球谐振陀螺输出信号的幅值。因此，研究半球谐振陀螺的激励信号对输出信号的影响，为设计半球谐振陀螺的驱动电路提供了参考。
半球谐振陀螺 读出电路 仿真 信号检测 激励信号 hemispherical resonant gyro readout circuit simulation signal detection drive signal
中国电子科技集团公司第十一研究所， 北京100015
数字化红外探测器的读出电路晶圆测试是评价晶圆的重要环节。在现有探针台测试设备的基础上，研制了一块电路板装置。它既可驱动晶圆工作，也可将不同形式的数字化输出信号转换为统一的数字图像传输格式,而且测试过程中可对电路板参数进行设置。首先对红外探测器读出晶圆测试系统进行了介绍，然后对研制的测试电路板装置进行了原理分析。最后将此电路板进行硬件实现，并编写了内部测试程序，完成了功能验证。对差分输出和单路输出两种形式的晶圆进行了测试，其结果与晶圆低温下的测试结果一致，数据准确可靠。此外电路装置有100个输入接口，可重复编程，支持24bit及以下输出位宽数字化晶圆的测试，使测试系统具有更高的兼容性和灵活性。
读出电路 数字化红外探测器 晶圆测试系统 兼容性 readout circuit digital infrared detector wafer test system compatibility
介绍了一种具有2×2像元合并功能的红外读出电路(10 m中心间距)。该电路兼具高分辨率和高帧频的特点，可以满足远距离搜索和近距离跟踪识别两种应用模式下的需求。像元合并前，读出电路的阵列规格为1280×1024，像元中心距为10 m，空间分辨率高，可用于近距离跟踪识别模式。像元合并后，阵列规格变为640×512，像元中心距变为20 m，灵敏度高，可用于远距离搜索模式。此外，这种电路采用串口输入控制方式，具有积分后读出(Integrate Then Read，ITR)/积分同时读出(Integrate While Read, IWR)工作模式切换、4/8通道可选、翻转和功耗控制等功能。本电路采用GF 018 m工艺进行设计。仿真结果表明，在像元合并后，读出电路可达到的最大帧频变为原来的2倍。
读出电路 像元合并 高分辨率 高帧频 circuit pixel binning high resolution high frame rate0
1 厦门理工学院 光电与通信工程学院, 福建 厦门 361024
2 北京大学 电子学院 碳基电子学研究中心, 北京 100871
随着红外技术和探测器性能的进步, 中波和短波红外技术在恶劣天气中具有更优秀的成像性能, 在民用、**和航空航天等领域中得到了越来越广泛的应用。读出电路作为连接探测器阵列与后级图像处理电路的关键模块, 其性能对中短波红外相机系统性能具有重要影响, 决定了最终的成像质量。文章综述了中短波红外图像传感器读出电路的发展现状, 分析了读出电路中噪声、动态范围、帧频等问题, 重点探讨了针对以上问题的解决方案。最后对读出电路未来设计的改进方向进行了讨论。
中/短波红外 图像传感器 读出电路 动态范围 MW/SWIR image sensor ROIC dynamic range
1 重庆光电技术研究所,重庆 400060
2 天津大学 微电子学院,天津 300072
针对3D集成式多光谱TDI-CMOS图像传感器的数字化处理和高速读出需求，为了解决与TDICCD探测器的整体布局、物理尺寸和接口的匹配性和一致性问题，研制了适用于五谱段TDICCD的CMOS读出电路芯片。该读出电路芯片创新地设计了一种使用多相位ADC时钟、支持相关多次采样的新型列级单斜ADC电路结构，实现了TDICCD信号的数字化和高速输出，有效提升了探测器的动态范围和噪声指标。流片测试结果表明：读出电路芯片的功能正常，集成式TDICCD的成像效果良好，新型列级ADC工作正常，读出电路以最小9.5 μs的行周期输出14 bit数据，相关多次采样具备降低输出信号噪声的作用，实现了TDICCD信号的高精度数字化处理和高速输出，满足3D集成式TDI-CMOS图像传感器的研制要求。
CMOS读出电路 多光谱TDICCD 芯片3D集成 单斜ADC 相关多次采样 CMOS readout circuit multispectral TDICCD 3D integration of IC single-slope ADC correlated multiple sampling
陆逸凡 1,2,3汪鸿祎 1,2,3陶文刚 1,2,3,4曹嘉晟 1,2,3[ ... ]李雪 1,2
1 中国科学院上海技术物理研究所 传感技术联合国家重点实验室, 上海 200083
2 中国科学院上海技术物理研究所 中国科学院红外成像材料与器件重点实验室, 上海 200083
3 中国科学院大学,北京 100049
4 上海科技大学,上海 200083
为了适应第三代红外焦平面高密度、微型化发展方向,设计了一款大面阵小像元低功耗640×512-5 μm InGaAs短波红外焦平面读出电路。重点研究了3T像素单元简易结构的性能,分析其对芯片暗电流、焦平面噪声的影响,实现了卷帘曝光工作方式、列级缓冲器动态工作以及四通道输出功能。利用可编程增益放大器,实现增益可调以及噪声抑制功能。基于0.18 μm 3.3 V标准CMOS工艺,在输入时钟频率为5 MHz条件下,对小像素单元进行性能分析,阵列窗口进行四通道输出以及线性度仿真。结果表明,电容反馈跨阻放大器（CTIA）输入级偏压变化约30 mV,工作帧频为54 Hz,输出摆幅为1.7 V,最大功耗小于150 mW,线性度为99.987%。
小像元 红外焦平面阵列 读出电路 CTIA结构 暗电流 small pixel IRFPA ROIC CTIA structure dark current
1 西安电子科技大学 微电子学院， 西安 710000
2 重庆光电技术研究所， 重庆 400060
像素级模数转换器因其独特的集成位置而具有高帧频、大动态范围、低功耗及低噪声等优点，广泛应用于红外、可见光及太赫兹成像等领域。文章介绍了主流像素级模数转换器结构的原理，综述了像素级模数转换器在动态范围、功耗、面积及噪声等性能参数的研究进展，最后分别比较和总结了各改进方向的几种关键技术并做出展望。
读出电路 像素级模数转换器 数字像素传感器 动态范围 功耗 readout circuit pixel-level analog-to-digital converter digital pixel sensor dynamic range power consumption
1 中国科学院上海技术物理研究所 红外成像材料与器件重点实验室，上海 200083
2 上海科技大学 信息科学与技术学院，上海 200120
3 中国科学院大学，北京 100049
混合飞行时间测距基于间接飞行时间测距的原理，同时结合直接飞行时间测距的概念，可以实现高精度、高范围的脉冲激光测距。采用两相采集方式，建立了背景光抑制的两段两相混合测距模型，并通过对模型的误差分析确定了电路的相关参数。采用在线性模式下工作的雪崩光电二极管（Linear-Mode APD, LM-APD）作为探测器，设计了与混合测距模型适配的50 μm中心距的像素电路以及5×5阵列结构。电路输入级采用电容反馈跨阻放大器结构，输出信号包括模拟信号和低压差分信号。在对APD探测器20 MHz的调制频率下，输出电压达到99.8%以上的线性度，在108.75 m测距范围内达到4.415 cm的平均误差，11.355 cm的最大误差。仿真表明：混合测距兼顾精度和测量范围，适用于激光雷达三维成像领域。
混合飞行时间测距 读出电路 线性模式雪崩光电二极管 激光雷达 hybrid time-of-flight ranging readout circuit linear-mode APD lidar 红外与激光工程
2023, 52(9): 20220892
