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随着红外焦平面向大规模、高分辨率的方向发展,红外焦平面读出电路逐渐趋向数字化,具有更灵活的工作方式和更强的信号处理功能,其中片上实现模数转换功能是红外焦平面数字化的核心。在读出电路内集成模数转换电路,能避免模拟信号在芯片间传输时引入的干扰,减少噪声,同时提高了信号的传输速度。片上实现模数转换为红外焦平面读出电路中集成更多的数字图像处理功能提供了基础,是数字化红外焦平面发展的一个重要研究方向。本课题对制冷型红外焦平面数字化读出电路的关键技术进行了研究,实现了红外焦平面片上模数转换、多功能数字控制和高速传输的数字接口。基于Global Foundries CMOS 0.18μm 1P6M 3.3/1.8V的工艺,完成了红外焦平面读出电路的设计与仿真、版图的设计与后仿真,及流片验证。针对红外焦平面读出电路的低温(77K)工作环境,分析了低温对MOSFET器件的影响,开展了低温CMOS工艺参数提取,修正了BSIM3v3仿真模型。基于修正的低温仿真模型,实现了基准电流源、积分输入级等模拟电路的低温仿真。通过分析红外焦平面读出电路片上集成模数转换器(ADC)的系统结构和具体算法,结合红外焦平面单元面积的限制,确定了读出电路片上集成像素级单斜率积分型ADC的结构。在单斜率积分型ADC中,提出了一种基于连续积分型的斜坡发生器,提升了斜坡电压输出线性度;设计了基于混合电压源的两级开环比较器,有效降低功耗,传输延时变化小于3ns。针对像素级ADC,提出了单元电路内集成比较器和锁存器、行共享斜坡发生器和计数器的结构,实现了14bit ADC,仿真得到动态有效位数为13.96bit。读出电路数字控制模块中,设计了基于时钟双边沿触发的格雷码计数器,有效减少了计数周期,提高了ADC的转换速率,并适合不同的计数长度,可应用于不同规模的焦平面数字控制。数字控制模块内部生成工作时序,实现了行列多种扫描模式,数字信号的串行输出以及测试时序的输出,提高了焦平面的灵活性和集成度,减少电路端口数。读出电路的输入输出数字信号采用低电压摆幅差分信号(LVDS)接口,数字信号的传输速度可达500MHz。搭建了数字化读出电路的软硬件测试平台,测试得到ADC转换速率为12.21k S/s,在100MHz时钟下,14位数字信号读出速率为7.14MHz。77K低温下,ADC动态性能的有效分辨率为11.47bit;静态性能采用过采样测试方法得到无误码分辨率达13.94bit,最大微分非线性小于1LSB,最大积分非线性小于1.5LSB;ADC在2V量程下最小分辨电压为122μV。与红外探测器互连后电路的线性度优于99.99%,读出电路等效噪声为0.51m V。集成像素级单斜率积分型ADC的读出电路适合应用于红外探测器的信号读出,为发展大面阵红外焦平面数字化读出电路提供了技术基础。