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红外焦平面(IR FPA)探测器阵列是获取景物红外辐射信息的关键器件。近年来,红外焦平面探测器在空间技术,医学诊断,环境监测,工业自控,天文学等诸多领域得到日益广泛的应用。在各类红外探测器中,量子阱(QWIP)红外探测器具有阻抗高,响应速度快,均匀性高,波长可灵活调整,成品率高,价格低,材料与器件工艺成熟等优点,使得它非常适合于大规模焦平面的制作,量子阱焦平面器件的发展受到各国高度重视。
本课题进行了大量文献调研,分析了直接注入(DI),电容反馈互阻放大器(CTIA),缓冲直接注入(BDI),缓冲共享直接注入(SBDI),栅调制输入(GMI),缓冲栅调制输入(BGMI)等多种主流的读出电路结构,归纳了各结构的优缺点及适用范围。在综合考虑了读出性能、功耗、单元面积及量子阱探测器的特点后,确定采用电流镜积分(CMI)电路作为量子阱探测器的信号读出结构。通过改进,使电路输入节点电压可达5V,解决量子阱探测器偏置电压高的问题,并具有较低的输入阻抗和相对较小的单元面积。
为解决长波红外探测器工作在高背景下,信号电流小于背景电流,器件本身暗电流也较大,导致积分电容易饱和的问题,本课题分析了几类背景抑制电路的实现方法,结合长波读出电路积分电容大的特点,单元内很难加入记忆电容,提出了用电压.电流转换法实现背景抑制的技术,设计了一个结构简单、适合红外焦平面的背景抑制电路,每个单元内仅需3个MOS管。并通过优化提高背景抑制电路的准确度。电压.电流控制法对控制电压的精度和噪声水平要求极苛刻,为此专门设计了高精度控制电路,有效提高背景抑制的控制精度和稳定性。
本次电路时设计考虑了芯片在深低温下的工作情况,采用35K实验数据修改的模型库进行了仿真验证。电路经仿真分析和版图设计,采用CSMC0.6um Double Poly Double MetalMixde Signal工艺完成电路流片。实际检测结果表明,电路能在80K和35K深低温下正常工作,具有背景抑制功能,有效减背景电流范围0-320nA,电路最大电荷储量2×108e,最大输出电压范围1.48V,线性度99.5%。