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InGaAs红外焦平面在航天遥感领域有着重要应用,本文为航天遥感工程用InGaAs短波红外焦平面设计性能稳定的低噪声读出电路。
信噪比是航天遥感用焦平面的一项重要性能指标。为降低电路噪声,本文研究了读出电路各噪声源及抑制方法。计算分析出输入级运放的热噪声是本课题读出电路的主要噪声源,选择较大的运放负载电容(8pF)限制噪声带宽来降低输入级运放热噪声,提出了一种新型的采样电路结构,在边积分边读出模式下实现了相关双采样,有效抑制KTC等噪声。计算电路总噪声电子数为417,满足小于517的设计要求。针对航天遥感用焦平面组件在短复位时间(＜20μs)时出现的信号振荡现象,本文研究了信号振荡机理,指出加快CTIA复位速度是消除信号振荡的有效方法之一,在理论上进行了复位开关管最优尺寸分析,提出了相应的宽长比公式:(W/L)min=4f0dBCdet/[Kp(Vref-Vthp)],实验解决了焦平面在短复位时间下的信号振荡问题。
采用上述对读出电路噪声及信号稳定性的研究结果,本文为新一代静止气象卫星首次采用短波焦平面设计了完整的工程用八元读出电路芯片。CTIA输入级的开关采用复位开关管、补偿管和串联管三管串联结构,最大化复位速度,同时消除沟道电荷注入效应；芯片在0.5μmMixed Signal CMOS工艺下加工流片,组件功能正常,复位时间1.5μs下信号稳定无振荡。电路噪声电子数为437,组件噪声电子数为636(@5℃、160μs),组件峰值探测率约为9.4E11cmHz1/2/W,电路各项指标满足设计要求。
面向遥感卫星对高空间分辨率的发展需求,本文设计了一款1024元长线列InGaAs短波红外焦平面读出电路芯片。给出一种奇偶行合并的版图布局方案,单元版图宽度及限制由15μm扩大到3μm。在输入级设计了抗饱和管(antiblooming)抑制“光晕”,输出总线上增加了推挽输出级,读出速率达4MHz以上。针对航天遥感组件集成化的发展趋势,本文采用数字脉冲驱动电路和带隙基准电压源设计了一款片上驱动电路芯片。驱动电路和读出电路的集成芯片在0.5μm Mixed Signal CMOS工艺下流片,芯片功能正常,片上驱动信号满足读出电路需求。