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与制冷型红外探测器相比，非制冷红外探测器在系统成本、重量、功耗和可靠性等方面都具有明显优势。因此，非制冷红外焦平面阵列已成为当代红外技术领域的研究前沿，正主导着下一代红外和相关科学技术的发展，非制冷红外成像技术已经成为各国正在研究的热点之一。
本文系统地深入研究了低噪声、大面阵、高均匀性、高集成度的非制冷红外焦平面阵列读出电路的设计，提出了一套基于微测辐射热计单元性能的自上而下的低噪声读出电路集成设计模型，利用该模型成功地研制了单片集成的非制冷红外焦平面阵列，在国内首次实现了160×120的面阵，器件具备了良好的红外热成像能力。全文主要研究内容和成果综述如下：
1.论文根据微测辐射热计的光学、热学、电学物理特性，对其进行了电学等效，并得到了其响应、信噪比和系统性能的预估模型；在此基础上采用电容负反馈运算放大器(CTIA，Capacitive Feedback Transimpedance Amplifier)作为预放大电路；根据微测辐射热计的性能参数以及CTIA电路的噪声带宽建立了焦平面探测器性能的计算模型。采用斩波稳定(CHS，Chopper Stabilization)和相关双采样(CDS，Correlated Double Sampling)技术设计了低时间、空间噪声的新型预放大电路、采样/保持和输出缓冲放大电路，实现了低噪声、高均匀性、高线性度的读出电路。基于此模型和结构设计的160×120阵列读出电路的响应线性度在99％以上，时间噪声均方根值(RMS，Root Mean Square)为256μV，空间固定图像噪声(FPN，FixedPattem Noise)小于1.5 mV。
2.根据微测辐射热计探测器的性能参数计算和预估模型，微测辐射热计偏置电压的大小直接影响到系统噪声等效温差(NETD，Noise Equivalent TemperatureDifference)，为此设计了两线式串行总线(I2C，Inter-Integrated Circuit)接口的低噪声、高驱动能力10bits片上数模转换电路(DAC，Digital-to-Analog Converter)，使偏置电压能够根据微测辐射热计的性能灵活可调。实验芯片表明，片上DAC的积分非线性误差(INL，Integral Nonlinearity)及微分非线性误差(DNL，DifferentialNonlinearity)均小于1.5LSB，在1～10KHz内噪声电压值为38.32μV。
3.为了提高器件的封装性能和降低封装成本，设计了红外焦平面片上集成温度传感器代替传统的温度传感器。提出了一种基于动态元件匹配技术和开关电容电路的CMOS温度传感器电路结构，消除了核心感温电路的双极晶体管发射极面积和电流源的非匹配性误差，获得了高精度、高线性度和高灵敏度的温度传感电压信号。实验芯片的测试结果表明，在-10℃到60℃温度范围内CMOS温度传感器电路的灵敏度为31.07mV/K，线性度在99.95％以上，温度误差为0.25℃。
4.由系统NETD的预估和计算模型，建立了红外焦平面片上模数转换器(ADC，Analog-to-Digital)的行为级设计模型。采用自上而下的设计方法，经过Simulink系统仿真，确定了ADC的具体设计参数。根据行为级仿真结果，采用了13级每级1.5bits的流水线结构ADC。设计了新型高性能全差分放大器、采用电容失配平均技术来改善非理想因素对ADC性能的影响。实验芯片测试结果表明，片上ADC的DNL小于2.5LSB，INL小于4.5LSB，信噪比(SNR，Signal-to-Noise Ratio)为75.05dB，在10MHz采样频率下功耗为265mW。
5.进行了微测辐射热计阵列与读出电路的单片集成研究，研制出了国内首个单片式带微桥结构的160×120非制冷红外探测器焦平面阵列。在真空封装环境下，单片集成红外焦平面探测器芯片的响应率为3.912mV/K，RMS噪声电压为631.5μV，所研制的单片集成的非制冷红外焦平面在国内首次实现了成像验证，成像效果良好。为进一步研制高性能的非制冷红外焦平面阵列奠定了良好的基础。