mK级温度探测能力是高灵敏度红外焦平面的发展的重要方向,实现此目标的基础是红外焦平面读出电路具有超大的电荷容量和高动态范围。随着焦平面面阵规模不断扩大和中心距不断缩小,以及有限的CMOS工艺单位面积电容率和输出电压幅度等情况下,对具有大电荷容量和高动态范围的读出电路设计带来了难度和挑战。本文针对实现红外焦平面高灵敏度探测所需要的读出电路的电荷容量和动态范围参数做了详细的分析,通过文献调研对比,对电荷包计数型ADC结构、线性-对数结构、传统结构读出电路三种方式实现大电荷容量和高动态范围的目标展开研究。电荷包计数型ADC结构读出电路是基于电流-脉冲调制方式,每个脉冲是一个电荷包,在设定的积分时通过计数器得到电荷包的个数即可以得到有效的信号。本文基于CSMC 0.18μm 1P6M工艺,设计完成了像元规模为512×32、中心距30μm×30μm的电荷包计数型ADC读出电路,最大电荷容量为2.4 Ge~-～8.9 Ge~-之间可调。单元电路设计需要在有限的面积内平衡性能与晶体管资源等,通过对比设计,单元电路中采用了DI注入级的结构、工作电流可调的较低延迟的两级开环运放比较器,比较器的仿真结果表明比较器的延迟优于14 ns。数字电路部分使用了高速、低功耗的动态逻辑TSPC结构的D触发器构成16 bit计数器。单元电路实现了在30μm×30μm面积内集成了417个MOS管。读出电路的输出接口采用了标准LVDS输出接口,实现阵列数据的高速输出。对测试结构的测试结果表明,LVDS接口的输出速度达到100 MHz,输出信号线性度大于99.9%。耦合长波Hg Cd Te探测器的红外焦平面测试结果显示,当焦平面的工作温度为70K时,在F#2,积分时间41.01 ms的情况下实现了峰值输出噪声为4,NEDT达到8 m K,相应的动态范围达到了84 d B。线性-对数结构读出电路中,对数响应模式是基于处于亚阈值区的MOS管的栅-源电压和漏-源电流之间的对数关系实现。对数响应模式可以极大的提高读出电路的动态范围,但是由于对数模式对于弱信号的响应较差,信噪比较低,所以需要结合线性响应模式来得到高信噪比的弱信号信息。本文中线性-对数结构读出电路使用了Global Founfry 0.18μm 1P6M工艺,设计了规模为16元、中心距为30μm的验证读出电路。注入级结构选择使用了BDI结构,并将用于对数响应的两个MOS晶体管与之结合。读出电路可以在线性响应模式和对数响应模式之间自动切换。测试结果表明读出电路在线性响应模式下的噪声为0.45 m V,对数响应模式下的灵敏度为86 m V/dec,读出电路的动态范围达到137 d B,耦合Hg Cd Te红外探测器后的动态范围大于102 d B。干涉式大气垂直探测器读出电路用于风云四号02星,用于获取更加丰富的大气三维方向的各类信息。本文使用CSMC 0.5μm DPDM工艺,设计了一款128(16×8)通道的红外焦平面读出电路,使用增大积分电容和降低电路噪声的方式提高读出电路的电荷容量和动态范围。由于干涉式大气垂直探测器需要工作于地球同步轨道中,工作环境昼夜温差大,则背景环境信号变化大,所以读出电路的注入级结构采用了性能较好的CTIA结构,采用了相关双采样来降低噪声。读出电路积分电容4档可调,最大积分电容为16 p F,读出电路的最大电荷容量可以达到130 Me~-。测试结果表明读出电路的输出摆幅为2.6 V,噪声为0.14 m V,动态范围达到85.4 d B。耦合中波Hg Cd Te红外探测器的焦平面的噪声为0.43 m V,动态范围达到75.6 dB。