带背景抑制的红外读出电路设计

• 作 者: 周杨帆
• 机 构: 东南大学
• 出 处: 东南大学
• 发表日期: 2010年期
• 关键词: 红外焦平面阵列 背景抑制 红外读电路 电路设计

在许多红外热成像应用中，红外系统需要探测大背景电流下的微弱信号电流，尤其在使用长波红外焦平面阵列时，背景电流会比信号电流大几个数量级。在这种情况下，与其它噪声相比，大背景电流引起的散粒噪声成为红外焦平面阵列的主要噪声。因此，在电路的积分过程中对背景电流进行抑制，只对信号电流积分，延长积分时间，能有效提高红外焦平面阵列最大信噪比及探测微弱信号的能力。　　
本文首先介绍了红外焦平面阵列的发展现状，阐述了红外读出电路背景抑制的目的和意义。其次，分析比较了各种传统背景抑制技术优缺点，明确了背景抑制技术的改进方向。再次，基于CSMCDPTM（双晶三铝）0.5μm CMOS工艺设计了一种带背景抑制的红外读出电路，包括单元电路阵列、列运放、输出缓冲器、行选择电路和列选择电路五部分。该读出电路采用新型背景抑制技术，背景抑制电流源由三个MOS管串联组成，其中一个为开关管，另外两个为背景抑制电流产生管，通过控制开关管的导通与关断，可使背景抑制电流源在积分过程中间断性地产生背景抑制电流。开关管导通时，两个背景抑制电流产生管工作在强反型区，减小了由工艺失配（尤其是阈值电压变化）和噪声所引起的单元电路间背景抑制电流的变化，降低了电路的背景抑制非均匀性；同时这两个管子构成了自级联结构，减小了沟道长度调制效应，背景抑制电流不随积分电压变化，提高了电路的线性度。最后，完成了整个读出电路的版图设计，并进行了流片测试。　　
对测试芯片的测试结果表明：所设计带背景抑制的红外读出电路的背景抑制非均匀性为1.23％；线性度为98.88％；背景电流为90.36nA，最大信号电流为5.52nA时，最大信噪比为63.24dB；可探测的最小信号电流与背景电流之比为2.9×10-6。该红外读出电路的各项性能，均达到了本文的预期设计目标。