【摘 要】
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红外光电探测技术正朝着大规模、小型化、多色化、高速响应及三维成像等方向发展。碲镉汞(Hg Cd Te)等第三代APD,以其高增益,高灵敏度和高速响应的优点被广泛应用于各类红外光电探测系统中,这一发展趋势进一步促进了微弱信号探测在三维主/被动成像领域的应用。在红外成像系统之中,需要设计出专门的红外读出电路对探测器感应的信号进行转换、放大、降噪等一系列处理,才能实时完成有效的前端检测。针对三维主被动探
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红外光电探测技术正朝着大规模、小型化、多色化、高速响应及三维成像等方向发展。碲镉汞(Hg Cd Te)等第三代APD,以其高增益,高灵敏度和高速响应的优点被广泛应用于各类红外光电探测系统中,这一发展趋势进一步促进了微弱信号探测在三维主/被动成像领域的应用。在红外成像系统之中,需要设计出专门的红外读出电路对探测器感应的信号进行转换、放大、降噪等一系列处理,才能实时完成有效的前端检测。针对三维主被动探测应用场景,本文设计了一款应用于线性APD探测器的双模式红外焦平面读出电路,可通过控制信号切换主被动两种工作模式。被动模式下,通过电容积分将光生电流转换为电压从而得到被测物体的灰度信息,可应用于传统2D平面成像。主动模式下,采用与时间信号成线性关系的斜坡电压信号作为时间基准,通过光子到达时刻采样斜坡信号完成时间-电压转换,再由ADC对采样电压进行量化得到被测物体的景深信息,可用于3D成像。该读出电路将普通外焦平面探测结构和基于飞行时间测量结构融合在一个像素单元内,实现了两种模式的检测功能。采用TSMC 0.18μm 5V CMOS工艺,完成像元面积为50×50μm2的双模式红外焦平面ROIC电路及版图的设计,完成前仿真与后仿真验证及流片工作。读出电路工作温度为-196℃,电源电压5V,被动模式下可以检测的光生电流范围为500n A~2μA,前后仿真的线性度都达到了99%以上、注入效率达到90%以上、满阱容量达到了8.4Me-。主动模式下1μA电流典型时间分辨率前仿真结果为5ns,后仿真为7ns。相对误差率前后仿真都控制在1%以内,满足动态设计指标要求。由于测试条件受限,仅在常温下对电路进行了测试。被动模式下线性度为94.6%、注入效率为80.52%、满阱容量为7Me-,主动模式下TOF最大相对误差率为3.96%。由于精确同步信号产生的困难,无法完成时间分辨率指标的验证。
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