研制出一款小像元10μm中心距红外焦平面探测器CMOS(complementary metal oxide semiconductor)读出电路ROIC(read out integrated circuit)。读出电路设计包括积分后读出(integration then reading,ITR)和积分同时读出(integration while reading,IWR)模式,ITR模式下有2档增益,电荷满阱容量分别为4.3 Me^(−)和1.6 Me^(−),其他功能包括抗晕、串口功能控制以及全芯片电注入测试功能。读出电路采用0.18μm工艺,电源电压3.3 V,测试结果表现出良好的性能:在77 K条件下,全帧频100 Hz,读出电路噪声小于0.2 mV。本文介绍了该款读出电路设计的基本架构,分析了在小的积分电容下电路抗干扰能力的设计。在测试过程中,发现了盲元拖尾现象,分析了拖尾现象产生的原因,为解决拖尾现象设计了抗晕管栅压产生电路,最后给出了整个电路的测试结果。
线性雪崩光电二极管(Avalanche photodiode,APD)焦平面红外探测器有着广泛应用场景,APD探测器耦合具有多种模式的读出电路可在有限像元面积内实现多模式探测,提升探测系统集成度。本文设计了一种具有红外热成像模式、门控3D成像模式、激光测距模式和异步激光脉冲探测模式的APD读出电路,四种模式复用输入级电路。通过Krummenacher结构抑制背景辐射影响,扩展了光子飞行时间探测范围;提出一种改进型时刻鉴别电路,通过减小时刻鉴别误差提升距离测量精度。读出电路采用0.18μm 3.3 V CMOS工艺设计,阵列规模128×128、像元中心距30μm,最大电荷容量3.74 Me^(-)。仿真结果表明,激光测距模式,在积分电容13 f F、背景电流1~150 nA条件下,背景电流响应幅值≤1.35 m V,远小于激光响应电流500 nA时280 m V的响应幅值;异步激光脉冲探测模式的幅值灵敏度约110 nA、脉宽灵敏度约4 ns;改进型时刻鉴别电路对于150~500 nA的激光脉冲响应,时刻鉴别误差约4 ns。本文设计的多模式复用APD读出电路具有一定工程应用价值。
