红外读出电路是红外探测系统的核心模块,负责对探测器阵列接收到的光电流采集、积分,并转换为电学信号,从而将不可见的红外辐射转换为可见的图像。为响应第三代红外读出电路对于高度集成化和片内数字化的要求,本文设计了一款64×64阵列大小,50μm像元中心间距的像素级数字化红外读出电路,通过在片内集成模数转换器（Analog-to-Digital Converter,ADC）来提高电路集成度,减少模拟信号传输过程受到的噪声干扰,提高动态范围。首先,为增大最大电荷处理能力,像素单元内选用了脉冲频率调制型（Pulse Frequency Modulation,PFM）ADC,用积分电容生成的脉冲信号数量表示电流大小,并在此基础上引入了第二段ADC,从时间域表示第一段积分过程的剩余电荷量,通过两段ADC的方式减小步长,降低量化噪声,提高动态范围。为实现像素级的模数转换,像素单元内使用了兼具计数功能与存储功能的新型计数存储单元,节省了版图面积。为了在片内完成等效脉冲计数值的计算,设计了计时模块以及算术逻辑单元ALU,同时设计了串行控制字寄存器组、列缓冲电路以及行列控制电路等控制模块实现了从积分到读出的完整时序控制,按照顺序输出像元阵列的最终等效脉冲计数值。基于SMIC 0.11μm 3.3V的CMOS工艺,用手工设计与全自动设计相结合的方式实现了读出电路的整体版图,在77K的工作温度、100MHz的时钟频率下,对读出电路进行了模拟仿真,仿真结果表明该电路的最大电荷处理量可达1.28Ge-,探测器电流为10n A时,量化噪声仅有180e-,像元内动态范围可达126.64d B,最终输出结果的有效动态范围为96.32d B,帧频最大可达575Hz,一帧消耗的功耗为1.8417m W,达到设计指标要求。