基于时间域读出的大动态范围CMOS图像传感器

设计了一款基于时间域读出的大动态范围CMOS图像传感器。传感器基于一种新型的结构,其可在时间域下探测高输入光强,在模拟域下探测低输入光强。该设计在传统电容反馈式跨阻放大器(CTIA)的基础上,新增了时间域测量电路,在不改变原有积分过程的同时可实现连续的大动态范围。基于0.35μm,5V-CMOS工艺进行了256×1线列CMOS图像传感器流片,光电二极管面积为22.5μm×22.5μm,并对器件的光电特性进行了后仿真验证。仿真测试结果表明,基于时间域读出的图像传感器可实现96dB的大动态范围,且时间域和模拟域的两路输出信号可同步输出,功耗为7.98mW。     

微测辐射热计阵列读出电路的单片集成设计

微测辐射热计阵列读出电路的单芯片集成,有利于红外焦平面阵列的智能化和红外成像系统的便携化发展.提出了一种非致冷红外焦平面阵列读出电路,基于SMIC 0.18 μmCMOS工艺,采用CTIA型单元读出电路结构,实现了偏置模块、驱动信号源模块、电流积分模块、相关双采样模块(CDS)和缓冲输出模块的单芯片集成,成功制造了1×8读出电路原型.仿真结果表明,设计的读出电路的线性度大于99％,功耗小于5 mW,适合于大面阵移植.     

一种单片集成式光-频率转换芯片

介绍了一种单片集成式光-频率转换芯片,给出了流片芯片的测试结果。芯片内部光电二极管产生随光强变化的光生电流,积分电容将其转换为电压信号,当电压达到比较器阈值时,比较器翻转,振荡电路振荡,光强被转变为频率信号。采用0.6μm 2P3M工艺进行了流片,实现了芯片在三端封装条件下的正常工作,芯片尺寸为1.8mm×1.7mm,光敏区面积为850μm×850μm,非线性小于1%,暗电流小于1Hz,输出信号占空比为50%,芯片最高输出频率为1MHz。     

红外探测器高性能读出电路的研究

设计了一种高性能电容反馈跨阻放大器(CTIA)与相关双采样电路(CDS)相结合的红外探测器读出电路。该电路采用CTIA电路实现对微弱电流信号的高精度读出,并通过CDS电路抑制CTIA引入的固定模式噪声(FPN),最后采用失调校正技术减小CDS引入的失调,从而减小了噪声对电路的影响,提高了读出电路的精度。采用特许半导体(Chartered)0.35μm标准CMOS工艺对电路进行流片,测试结果表明:在20pA～10nA范围内该电路功能良好,读出精度可达10bit以上,线性度达97%,达到了设计要求。该读出电路可用于长线列及面阵结构红外探测系统。     

640×512焦平面读出电路设计

介绍了640×512电容反馈跨阻放大器(CTIA)型焦平面读出电路的设计,包含模拟电路与数字模块设计。分析了CTIA采样单元的设计,折中优化了采样单元的面积、噪声、增益等因素,同时优化了采样单元控制电路,最大限度地提高了对采样单元阵列的驱动能力;数字控制部分着重分析了对行选、列选、翻转读出、随机开窗、隔行扫描、多路选择输出等功能的实现方式。设计基于0.5μm DPTM工艺进行仿真验证,采样单元面积为25μm×25μm,工作频率为5MHz,芯片面积为18.1mm×17.4mm,输出摆幅大于2.5V,动态范围大于70dB。     

焦平面输入电路研究

在混合式焦平面阵列中,探测器和读出电路的耦合通过输入级电路实现。为分析输入电路对探测器-放大器系统性能的影响,用分立元件设计制作了一个三级的前置放大器并进行了模拟实验,实验表明放大器输入级噪声是造成探测器信噪比下降的主要因素,应用中应该选用具有特定噪声性能的放大器与探测器匹配。研究了焦平面中常用的直接注入(DI)和电容反馈放大电路(CTIA)与探测器耦合时在噪声、输入阻抗、工作点匹配等方面应具备的条件。提出了临界输入阻抗的概念,实验表明,当电路的输入阻抗低于此临界值时(对于GaN p?蛳i?蛳n 光伏探测器来说约为106 Ω),焦平面才能获得较高的注入效率。     

一种高注入效率红外焦平面读出电路采样单元的设计

主要研究了一种新型的基于CTLA结构的CMOS红外焦平面读出电路的采样单元电路,该电路采用共源共栅电路结构,不仅具有一般CTIA结构高注入效率和固定偏压稳定的特点,而且由于采用管子数比一般的CTIA结构少,可以广泛应用在大面积的红外焦平面阵列上.     

高帧频高灵敏度线列PIN-CMOS图像传感器研究

设计了一款高帧频高灵敏度双通道16元线列PIN-CMOS图像传感器。相对于传统的pn结光电二极管,PIN光电二极管具有结电容小和量子效率高的优点,可以降低CTIA像素电路的噪声,提高信噪比;同时采用一种新型的相关双采样电路结构,可以在边积分边读出的模式下实现相关双采样,抑制像素复位带来的KTC噪声。基于0.35μm PIN-CMOS工艺进行了线列CMOS图像传感器流片,并对器件的光电性能进行了测试。测试结果表明:在像元尺寸为90μm×90μm,700nm波长下,器件灵敏度达3000V/(lx·s),量子效率为96%;在40kHz高帧频、0.05lx光照条件下器件信噪比为7,适于弱信号下的高速探测。     

一种单一增益下实现红外探测器大动态范围读出方法研究

目前红外探测器采用传统读出方法很难通过一次积分实现其本身的动态范围。为实现红外探测器的大动态范围不换档读出,引入脉冲频率调制（Pulse Frequency Modulation,PFM）结构,同时为保证弱信号时的注入效率,结合CTIA输入级,对红外探测器不换档大动态范围读出方法进行研究。提出一种CTIA输入级脉冲频率调制（PFM）读出方法,在系统级层面搭建实验系统并结合短波红外InGaAs单元探测器进行数字量化实验。详细分析了强信号时由系统结构延迟时间引起的转换线性度问题,并建立非理想条件下的数字量化转换模型。实验结果显示,提出的CTIA输入级PFM红外探测器读出方法动态范围达到97 dB, 为红外探测器不换档大动态范围读出提供了一种可行方案,并为数字化读出电路设计奠定理论基础。