自上世纪90年代以来,非制冷红外探测器较制冷型的红外探测器以无需制冷、成本低、功耗小、重量轻、小型化、使用方便等优势迅速引起各国的关注,成为当代红外技术领域的研究前沿,是国际上竞相追逐的热点之一。本文研究了自适应、低噪声、高均匀性、高集成度的微测辐射热计非制冷红外焦平面阵列读出电路(ROIC,Readout Integrated Circuit)。该读出电路集成了片上温度补偿、片上非均匀性校正、片上模数转换器(ADC)和片上温度传感器电路;实现了640×512阵列的无TEC(Thermoelectric Cooler)读出电路的设计,与非制冷红外焦平面阵列单片集成后成像效果良好。主要研究内容和成果综述如下:1.微测辐射热计的热、电模型的建立。通过对微测辐射热计的热学—电学等效和仿真,给出了热容、热导、偏置电压、电阻温度系数(TCR)和温升、响应之间的关系。分析了微测辐射热计和前置放大电路的噪声特性,包括偏置电压、积分时间和积分电容等对噪声电压、响应率和噪声等效温差(NETD)等的影响。2.读出电路的设计。主要实现了以下五大模块的设计:自适应的新型桥式偏置电路;新型的积分及采样保持电路;片上单点偏置数模转换器(DAC)电路;片上ADC电路和片上CMOS温度传感器电路。(1)自适应的新型桥式偏置电路采用新型桥式偏置电路,引入了衬底温度补偿电阻RB,实现自适应的衬底温度补偿功能,同时该结构还有降低噪声的作用,测试结果表明输出电压随衬底温度变化为261mV@deltaT=80℃;(2)新型的积分及采样保持电路采用积分电容和采样保持电容复用的方式,去除了采样时间,提高了工作效率,有效的提高了帧频;(3)片上单点偏置DAC电路采用共用电阻串的方式得到,读出通道中仅集成decoder部分,有效的减小了芯片面积,减小了系统功耗,测试结果表明采用6bits的片上单点偏置DAC,校正后输出最大和最小值之间仅相差12mV,相对于校正前的空间非均匀性降低到了原来的13%左右;(4)片上ADC电路采用列级集成的single-slope ADC,有效的增强了读出电路的抗干扰能力。测试结果表明,相应的INL为±1.2LSB和DNL为±0.7LSB,噪声特性明显降低;(5)CMOS温度传感器电路代替了传统的温度传感器,该温度传感器用于对输出信号进一步的校正。测试结果表明,其温度灵敏度达到22.8 mV/K,线性度达到99.95%。3.进行了微测辐射热计阵列与读出电路的单片集成研究,研制出了单片集成的640×512微测辐射热计探测器芯片。探测器芯片测试结果表明,读出电路的空间噪声仅为3.6mV,时间噪声为199.7μV;单片集成探测器芯片的黑体响应率为2.97mV/K,RMS噪声电压为210μV;分析验证了偏置电压和积分时间对系统参数噪声等效温差(NETD)的影响;在不同衬底温度下进行了红外热成像,成像效果良好。