具备时间延迟积分的高性能线阵288×4 CMOS读出电路

描述了一种高性能CMOS线阵288×4读出电路的设计.该读出电路是一个大规模混合信号电路,集成了时间延迟积分以提高信噪比,实现了缺陷像素剔除以提高阵列的可靠性.其他特征包括积分时间可调,多级增益,双向扫描,超采样,以及内建电测试.该芯片采用1.2μm双层多晶硅双层金属CMOS工艺.测量得到的总功耗约为24mW,工作电压5V.     

红外焦平面CTIA型读出电路的设计研究

为了适应红外焦平面(IRFPA)高像素的趋势,设计出面积更小、性能更优的像元电路,选择电容反馈跨阻放大器(CTIA)作为像元电路的电路结构,在CTIA中运算放大器基于共源共栅结构,采用积分电容可选的模式来调整积分时间,并基于电路高像素的需求,优化电路,减小面积.在此基础上,搭建模拟信号通路进行仿真研究,绘制版图,并进行后仿,为读出电路的正确性、可靠性提供保障.优化后的像元电路面积为18μm×18μm,可选积分电容分别为60 fF和400 fF,后仿得到的信号通路输出摆幅常温下为2.03 V,低温下为1.52 V,且低温下的积分噪声为213.6μV,满足设计需求.     

低噪声X射线探测器读出电路

设计一种32通道X射线探测器读出电路, 将探测到的微弱电信号进行放大并转换成电压信号读出。该电路中每个通道包含一个电荷灵敏放大器、一个相关双采样电路和一个采样保持电路。 为提高成像质量, 对读出电路进行低噪声设计, 其中前级的噪声贡献尤为明显, 因此重点对噪声源进行理论分析并采取相应的降噪措施。仿真得到输出积分噪声为69.7 μV。     

一个0.9 V电源电压16位300 μW音频ΣΔ调制器

设计了一个应用于0.9 V电源电压,精度达16 bit,功耗仅为300μW的音频ΣΔ调制器.调制器采用了前馈单环三阶结构,以降低整个调制器的功耗;并采用时钟自举电路以实现低电压下CMOS开关的良好导通.芯片采用SMIC 0.18μm一层多晶六层金属工艺进行设计和仿真,芯片核心部分面积为0.7 mm×0.66 mm.后仿真结果显示该调制器在20 kHz的音频信号带宽范围内信噪比可达93 dB.     

10-bit 100-Ms/s视频模拟前端IP核的设计

设计了一个10 bit,100 Ms/s视频模拟前端IP核,并用台积电(TSMC)0.18μm 1.8/3.3 V互补金属氧化物半导体(CMOS)纯数字工艺进行了仿真.电路中模拟部分采用3.3 V电源电压,仿真结果显示当输入信号为18 MHz,信号幅度为满幅(单端1 V,差分2 V)时,输出信号信号-噪声-失真比(SNDR)为60 dB.整个电路的功耗为73 mA,版图面积为2 mm×2.5 mm.     

75 ps精度GM-APD阵列像素读出电路设计（英文）

提出了1种用于激光3D成像的中等规模盖革模式雪崩光电二极管(GM-APD)阵列的像素读出电路.根据时间飞行(TOF)原理,像素读出电路主要由两部分组成:有源淬火电路(AQC)和时间数字转换器(TDC).所采用的TDC是两段式粗细结合的架构,成功实现了时钟频率和时间分辨率的折中.基于内插技术,动态范围提高到了19 bit,而时钟频率降低为预计的1/5,显著降低了设计和应用的难度.采用延时线技术实现的4 bit细TDC将精度提高到75 ps.电路采用SMIC 0.18μm工艺设计.后仿结果显示达到了75 ps的高精度时间分辨率,对应3 km测距范围内的距离分辨率为1.125 cm.另外,总功耗为1.08 m W,且电路面积小于95×95μm~2.     

一种新型级联ΣΔ调制器系统结构

针对传统高阶级联ΣΔ调制器结构电路复杂和对运算放大器的增益和线性度要求较高的缺点,提出了一种新型的2-3两级5阶多位量化器级联ΣΔ调制器系统结构.该结构的第1级采用2阶多位量化器的低失真ΣΔ调制器结构,减小了运算放大器的非线性有限增益对调制器性能的影响.第2级采用信号传递函数等于单位增益的单环3阶ΣΔ调制器,而不是传统级联结构中1阶或2阶ΣΔ调制器,降低了电路的复杂程度.系统仿真结果表明：在最大增益为70 dB的非线性运算放大器增益、±0.2%的随机数模转换误差的非理想条件下,该调制器的最大信号噪声失真比能够达到95 dB.     

LHAASO-WFCTA读出电子学系统架构设计

广角切伦科夫望远镜阵列（Wide Field of View Cherenkov Telescope Array,WFCTA）是大型高海拔空气簇射观测站（Large High Altitude Air Shower Observatory,LHAASO）的主要探测器阵列之一,其物理目标是完成30 TeV到几个EeV的宇宙线能谱测量. 望远镜读出电子学系统包括1 024个通道,需要处理的信号既有脉宽为几十ns的切伦科夫信号,又有脉宽为μs的荧光信号. 本文详细介绍了望远镜读出电子学系统的架构设计,为了减少数据量,设计了在线触发的事例筛选架构：在子模块电子学上先进行第一级硬件触发,再在触发电路上实现事例触发. 同时该电子学系统采用了4点压缩的方式获取波形数据,覆盖波形宽度为2.24 μs. 实验室测试结果表明：读出电子学系统可以正确获取信号波形,电荷测量的动态范围可以覆盖10 P.E.(Photon Electron)到32 143 P.E.,高增益通道和低增益通道的重叠区从857 P.E.到1 714 P.E.,高低增益比值与设计相符,电荷分辨率在10 P.E.时优于20%,在32 000 P.E.时优于5%,相对偏差在10 P.E.时优于5%,在32 000 P.E.时优于2%,该读出电子学系统满足设计要求.     

一种低功耗大摆率Class-AB OTA电路设计

为提高低功耗条件下运放电路的工作速度,基于Class-AB复合型差分对、非线性电流镜传输、交叉耦合对管正反馈3种结构的有机组合,提出了一种高速运算跨导放大电路(OTA)的结构设计方案.该方案在低功耗条件下,电路具有优异的摆率倍增性能,同时电路小信号带宽与低频增益得到一定程度的改善.电路采用CSMC 0.5μm CMOS工艺进行设计并完成MPW流片.在5 V电源电压下测试得到的电路静态功耗仅为11.2μA,最大上升沿与下降沿摆率分别为10和2 V/μs,低频增益60 dB以上,单位增益带宽达到3 MHz.结果表明,新型Class-AB OTA电路比同类参考OTA电路具有更高的大信号瞬态响应品质因子.     

双通道高速高精度流水线模数转换电路的实现

为解决传统双通道构架仅适用于低速模拟数字转换电路(Analog-to-Digital Converter,简称ADC)的问题,通过取消数字校准电路,去除信号通道中用于数字校准开关的方式,采用台湾积体电路制造公司(TSMC)0.18μm CMOS工艺,用双通道流水线构架实现了高速高精度ADC,确保ADC达到12位信号转换精度的同时,信号转换速度达到了200 Ms/s.通过测试,该电路在模拟输入信号为10 MHz,差分振幅为1.25 V,电源电压为1.8 V,信号采样频率200 Ms/s条件下获得信噪失真比为64.7 d B,无杂散动态范围为86.3 d B,电路整体功耗为356 m W,测试结果证实该设计在降低模数转换电路设计难度的同时节省了功耗.     

一种用于助听器的1-V 110-μW 105.5-dB 20-kHz CT-ΣΔ调制器

设计了一种应用于助听器的4阶连续时间单环单比特量化ΣΔ调制器.采用有源RC积分器实现连续时间前馈环路滤波.通过采用2级AB类放大器同时实现了低电压下积分器的低功耗和大电压输出摆幅.提出了用固定延时锁存比较结果的方法,消除了由量化器的信号相关延时带来的负面影响.调制器采用中芯国际0.13μm工艺,通过仿真显示,在20kHz信号带宽和128倍过采样率条件下,调制器的信号噪声失真比可以达到105.5dB.在1V电源电压下,调制器功耗仅为110μW.     

1.5 V 0.35μm CMOS 3.2 Gb/s 1:4分接器设计

采用CSM 0.35μm CMOS工艺,设计了低电压高速1∶4分接器.分接器采用半时钟树型结构,由1个高速1∶2分接器和2个低速1∶2分接器级联而成.整个电路实现的基本单元为共栅动态负载锁存器.电路最高可工作在3.2 Gb/s,电源电压为1.5 V,整体电路功耗约为120 mW,芯片面积为0.675 mm×0.675 mm.     

新型低功耗QSBDI红外读出电路设计

提出了一种新型红外读出电路的像素结构--四像素共用BDI结构(Quad-Share Buffered Direct-Injection: QSBDI).在这种电路结构中,4个相邻的像素共用一个反馈放大器.在开关的控制下,像素可以实现积分然后读出(ITR)和积分同时读出(IWR)功能.在30 μm×30 μm的像素面积中,实现了略大于0.9 pF的电容和4.2 pC的电荷存储能力,平均功耗只有500 nW.在实现低功耗的同时,该结构使像素级的固定模式噪声(FPN)只来源于局部的失配,与整个像素阵列的失配无关,从而使得这种像素结构非常适用于大规模2-D 读出电路(Readout IC:ROIC).后续的版图设计以及后仿真也表明这种像素结构是一种非常实用的像素结构.基于该结构的128×128的测试芯片已经设计完成,将在0.5 μm工艺下进行流片测试.     

用于288×4读出电路中的高效率模拟电荷延迟线(英文)

提出了一种带时间延迟积分功能的高性能CMOS读出电路芯片适用的高效率电荷延迟线结构。基于该结构,设计了一款288×4规格焦平面阵列组件适用的CMOS读出电路芯片,并已完成流片、测试。该芯片包括4个视频输出端,每个端口的像元输出频率为4~5MHz(如用于实现384×288规模的成像,帧频可达160Hz)。测试结果表明这款芯片具有高动态范围(大于78dB)、高线性度(大于99.5%)、高均匀性(大于96.8%)等特征。     

一种低功耗GaN基紫外焦平面读出电路设计

针对GaN基紫外焦平面,采用单端放大器的CTIA结构作为输入级,设计了一种小面积低功耗的读出电路,分析了电路的电荷增益、注入效率、功耗与噪声等性能指标。通过使用边积分边读出模式工作,电路功耗显著下降,当面阵大小为M×N时,仅与列数N有关。仿真结果表明,电路工作正常,电荷增益为1.6μV/e,注入效率可达96.8%,输出线性度大于99%,对噪声具有很好的抑制作用。     

用于单片集成真空传感器的SAR型ADC设计

设计了一款适用于单芯片集成真空传感器的10位SAR型A/D转换器.轨至轨比较器通过并联两个互补的子比较器实现.信号采样时,比较器进行失调消除,提高电路的转换精度.电路采用0.5μm2P3M标准CMOS工艺制作.系统时钟频率为20MHz,输入电压范围为0～3V.在1.25MS/s采样率和4.6kHz信号输入频率下,电路的信噪比为56.4dB,无杂散动态范围为69.2dB.芯片面积为2mm2.3V电源电压供电时,功耗为3.1mW.其性能已达到高线性度和低功耗的设计要求.     

基于Σ-Δ调制技术的信号发生器设计

提出了一种新的采用ΣΔ调制和无损离散积分振荡器来产生片内模拟信号的方法.研究了电路的实现原理和噪声传递函数零点优化设计方法,运用无乘法器的梯型滤波器结构和ΣΔ调制技术避免了多位高精度乘法运算和多位D/A数模转换器硬件成本高的缺点.除一个比较器外,整个电路全部由标准CMOS工艺来实现集成,硬件成本非常低,非常适用基于可测性混合集成电路的设计.通过一个6阶实例和仿真的结果表示:6阶的信号发生器具有120 dB衰减的动态带宽.     

适用于多边带频分复用超宽带系统的CMOS频率综合器

采用整数分频锁相环、单边带混频器、多相位滤波器、频率选择器设计了适用于多边带频分复用超宽带系统的频率综合器.该频率综合器可以产生3.432,3.96,4.488 GHz 3个频率信号,仿真结果表明该电路提供大于35.29 dB,边带杂散抑制性能,频率信号之间的切换时间小于1.35 ns,相位噪声积分为2.62°,满足了超宽带通信系统收发机对于本地时钟性能的要求.频率综合器采用0.18μm RF CMOS工艺设计,在1.8 V电源电压下,总功耗为66.6 mW.     

基于ARM的线阵CCD测距系统设计

CCD(电荷耦合器件)是一种高性能的半导体光电器件,近年来在摄像、工业检测等科技领域里得到了广泛的应用。将CCD测量系统应用于几何量测量中,可以满足高精度测量、在线动态检测和非接触测量等工程实际要求。主要研究内容是采用双目视差原理来测距,重点在于线阵CCD数据采集及处理系统的软硬件设计。首先在详细分析了线阵CCD的工作原理的基础上采用CPLD(复杂可编程逻辑器件)设计了线阵CCD积分时间和主频同时可调的驱动时序脉冲电路;最后设计了ARM7TDMI微控制器LPC2214为中心的信号处理系统硬件电路。     

基于Camera Link 协议的CCD图像采集系统

为满足航天相机系统快速、高质量的成像要求,设计了一种基于Camera Link协议的高速CCD (Charge Coupled Device) 图像采集系统。该系统采用CPLD (Complex Programmable Logic Device)、专用视频处理芯片TDA8783、乒乓结构的存储器进行设计,并使用时间延迟积分(TDI:Time Delay Integral)的工作方式,通过设置单级积分时间长度和积分级数改变总积分时间长度。实验结果表明,该系统能同时输出两路CCD电压信号,最高数据输出速率达15帧/s,信噪比大于50 dB,两通道的不均匀性小于2％,满足航天相机系统的高速、高分辨率设计要求。