红外焦平面读出电路中输出缓冲器电路的设计(附件)【字数：9362】
摘 要红外焦平面器件在当今军事探测成像领域的普遍应用，给予了其极大的发展空间。在红外焦平面器件中，读出电路是必不可少的一部分。而在现代科技的大背景下，CMOS读出电路又成为了读出电路中的中流砥柱。本文对红外焦平面器件读出电路中的输出缓冲器进行了探究与设计，读出电路中的输出缓冲器又叫做输出驱动器，其功能是将模拟电压信号输出到芯片中。由于读出电路需要在极短的时间内输出大量的信号，因此输出缓冲器需要做到快速驱动，并且具有良好的非线性。本文设计的输出缓冲器为一种PMOS双端输入差分电路，使用PMOS管、NMOS管、电阻、电容在实验中进行电路的设计与仿真。学习设计CMOS集成电路，从CMOS集成电路的相关书籍和资料中获取运算放大器的知识。在掌握红外焦平面读出电路原理的基础后，重点分析直接注入型红外焦平面读出电路像素单元缓冲器的工作原理，才能够通过CMOS集成电路的设计分析软件Cadence构造出最后PMOS双端输入差分电路，接着对设计出的电路模型使用仿真软件Spectre分析出输出缓冲器的性能优劣。
目 录
第一章 绪论 1
1.1红外焦平面读出电路的输出缓冲器的研究意义 1
1.2 国内外研究现状与发展趋势 1
1.3本文的工作安排 2
第二章 红外焦平面读出电路原理 3
2.1红外焦平面读出电路的原理 3
2.2红外焦平面读出电路的分类 4
2.3红外焦平面读出电路结构 4
2.4输出缓冲器在读出电路中的应用 7
第三章 输出缓冲器的电路设计 9
3.1输出缓冲器的原理 9
3.2输出缓冲器的设计 9
3.2.1输出缓冲器的结构 9
3.2.2输出缓冲器的设计 10
第四章 输出缓冲器电路的仿真分析 11
4.1仿真的结果与分析 11
4.2.1仿真软件的介绍 11
4.2.1仿真的结果与分析 11
结束语 12
致 谢 13
参考文献 14
附 录 15
附录A输出缓冲器的的电路结构图 15
附录B仿真AC波形 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
图 16
附录C仿真波形图 17
第一章 绪论
1.1红外焦平面读出电路的输出缓冲器的研究意义
红外线是人类肉眼无法看见的光,也可以叫做红外热辐射,地球上温度高于零度的物体都会发散出红外辐射，我们借助一些光学设备可以感受到红外辐射的存在。而在当下，红外焦平面器件便是这样的设备。随着时代科技的发展，红外焦平面器件在军事、医疗等方面得到了广泛的使用。尤其是在军事领域，红外焦平面器件对红外探测技术、红外线成像技术做出了极大的贡献。当下的军事技术发展，使得飞机、导弹无法轻易的被雷达所监测到，不过任何物体都会在其温度高于零度时候产生红外辐射，这时高速运动的飞机、导弹便会与空气摩擦而产生高温并且散发出极其强烈的红外辐射，此刻利用红外焦平面器件探测会有很好的效果。红外焦平面器件的作用是将无限远处发射的红外线接收经过光电转换，并且开始积分放大，而后经过输出缓冲器的缓冲和多路传输，将其变为图像显现出来。
读出电路在红外焦平面器件中充当着重要的角色,读出电路的好坏关系到整个红外焦平面器件的功能。红外焦平面读出电路是一种CMOS集成电路，其主要功能为对红外探测器所探测到的红外信号进行前置的处理及转换，连接红外焦平面器件以及信号处理系统。如今为了提高红外焦平面输出信号的质量，发展读出电路，提高读出电路的性能，可以完成这一目标。所以CMOS读出电路随着时代技术的发展已经成为红外焦平面阵列的主要发展趋势了。不过不断的改善电路的结构，完善读出电路的性能，会使得电路结构相互影响制约，复杂的电路会让电路产生噪音等影响电路的因素，最终导致电路多种指标不达标。
在读出电路中，由于传输的驱动力无法满足快速驱动的要求，内外信号之间的传输受到阻碍。在这种情况下我们需要在读出电路后添置一个输出缓冲器，来增加电路的驱动能力。本文探讨的红外焦平面读出电路中输出缓冲器的作用是在读出电路中处理后续信号。这便要求读出电路的输出缓冲器具备以下几个条件：具有功耗低、摆幅大的特点；能够在不同的室温（300K）、低温（77K）下工作；输出的噪声要尽量的低；具有比较大的增益带宽；要有优良的线性度；输出缓冲器在满足以上的条件下可以为读出电路提供良好的处理环境。
1.2 国内外研究现状与发展趋势
现如今国外一些发达国家已经研究出了很多类型的红外焦平面器件。例如美国研究出了在公开文献中性能最好，数值最接近理论值的硅衬底碲镉汞红外探测器。还有用来探测地雷的红外光探测器，这种探测器使用的是256 * 256间距的红外焦平面阵列，能够通过海军研发的复杂色彩融合算法成像技术，清晰的识别出地雷埋藏的地区，甚至能够分别出地雷所埋藏的时间。而在导弹预警方面，美国的诺格公司安装了对导弹进行探测预警的系统，还在飞机上装载了跟踪传感器等设备。这种系统在探测到导弹飞行所发出的红外辐射后，能够快速警报并且对导弹进行干扰，过程也仅仅需要几秒钟。
而早在2006年，美国军部就布置了天基红外导弹预警卫星，用来探测导弹高速飞行与空气摩擦而产生的红外辐射，卫星根据探测器探测到导弹的位置，为拦截导弹提供立体的探测和监视。
而法国曾经对小像素技术进行了探索，并且得到了初步的一些结论。法国紧接着将会研制25um像素间距测读出电路。
在今后的战争演习中，研制改进红外探测器件将会成为必然。美国为了在战争中取得竞争力，就对红外探测技术进行了深入的探究，这些例子表现出了红外探测技术在世界战场中的发展趋势，基本以红外焦平面技术为主，努力发展CMOS读出电路，为黑夜战争与导弹预警等方面做好准备。
由于红外探测技术在军事探测成像方面做出的突出贡献，我国军事科学家也在积极研发着红外焦平面器件，其优秀的适应抗干扰、低功耗性能，小巧的体积与便携的特点，也得到了军事领域的广泛认可。早在1958年，我国就开始研究红外焦平面的项目，至今50余年，研究所已经研制出了多种规格间距的红外焦平面器件。这些红外焦平面器件具有着优越的性能，但这些优势还是远远不够的。目前由国家顶尖研究机构研制出的红外焦平面产品，相比于国外的水平还是不足的，但是随着摸索发展，相信国内也能够制造出适用的高性能产品。
目前我国将向要求更高的第三代红外焦平面器件转型，第三代红外焦平面器件具有小间距、耐高温、性能更优越、低成本的特点，会成为我国红外探测技术的利器。在当前的军事发展背景下，我国将会致力于红外探测技术的发展，为祖国国防做足准备。
1.3本文的工作安排
本本将会阐述如何设计一个输出缓冲器，通过Cadence电路分析软件，在掌握红外焦平面读出电路的基础上重点分析读出电路像素单元缓冲器的工作原理与设计要点，并且采用工艺模型Spectre仿真软件，最终分析设计出相应电路。
目 录
第一章 绪论 1
1.1红外焦平面读出电路的输出缓冲器的研究意义 1
1.2 国内外研究现状与发展趋势 1
1.3本文的工作安排 2
第二章 红外焦平面读出电路原理 3
2.1红外焦平面读出电路的原理 3
2.2红外焦平面读出电路的分类 4
2.3红外焦平面读出电路结构 4
2.4输出缓冲器在读出电路中的应用 7
第三章 输出缓冲器的电路设计 9
3.1输出缓冲器的原理 9
3.2输出缓冲器的设计 9
3.2.1输出缓冲器的结构 9
3.2.2输出缓冲器的设计 10
第四章 输出缓冲器电路的仿真分析 11
4.1仿真的结果与分析 11
4.2.1仿真软件的介绍 11
4.2.1仿真的结果与分析 11
结束语 12
致 谢 13
参考文献 14
附 录 15
附录A输出缓冲器的的电路结构图 15
附录B仿真AC波形 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
图 16
附录C仿真波形图 17
第一章 绪论
1.1红外焦平面读出电路的输出缓冲器的研究意义
红外线是人类肉眼无法看见的光,也可以叫做红外热辐射,地球上温度高于零度的物体都会发散出红外辐射，我们借助一些光学设备可以感受到红外辐射的存在。而在当下，红外焦平面器件便是这样的设备。随着时代科技的发展，红外焦平面器件在军事、医疗等方面得到了广泛的使用。尤其是在军事领域，红外焦平面器件对红外探测技术、红外线成像技术做出了极大的贡献。当下的军事技术发展，使得飞机、导弹无法轻易的被雷达所监测到，不过任何物体都会在其温度高于零度时候产生红外辐射，这时高速运动的飞机、导弹便会与空气摩擦而产生高温并且散发出极其强烈的红外辐射，此刻利用红外焦平面器件探测会有很好的效果。红外焦平面器件的作用是将无限远处发射的红外线接收经过光电转换，并且开始积分放大，而后经过输出缓冲器的缓冲和多路传输，将其变为图像显现出来。
读出电路在红外焦平面器件中充当着重要的角色,读出电路的好坏关系到整个红外焦平面器件的功能。红外焦平面读出电路是一种CMOS集成电路，其主要功能为对红外探测器所探测到的红外信号进行前置的处理及转换，连接红外焦平面器件以及信号处理系统。如今为了提高红外焦平面输出信号的质量，发展读出电路，提高读出电路的性能，可以完成这一目标。所以CMOS读出电路随着时代技术的发展已经成为红外焦平面阵列的主要发展趋势了。不过不断的改善电路的结构，完善读出电路的性能，会使得电路结构相互影响制约，复杂的电路会让电路产生噪音等影响电路的因素，最终导致电路多种指标不达标。
在读出电路中，由于传输的驱动力无法满足快速驱动的要求，内外信号之间的传输受到阻碍。在这种情况下我们需要在读出电路后添置一个输出缓冲器，来增加电路的驱动能力。本文探讨的红外焦平面读出电路中输出缓冲器的作用是在读出电路中处理后续信号。这便要求读出电路的输出缓冲器具备以下几个条件：具有功耗低、摆幅大的特点；能够在不同的室温（300K）、低温（77K）下工作；输出的噪声要尽量的低；具有比较大的增益带宽；要有优良的线性度；输出缓冲器在满足以上的条件下可以为读出电路提供良好的处理环境。
1.2 国内外研究现状与发展趋势
现如今国外一些发达国家已经研究出了很多类型的红外焦平面器件。例如美国研究出了在公开文献中性能最好，数值最接近理论值的硅衬底碲镉汞红外探测器。还有用来探测地雷的红外光探测器，这种探测器使用的是256 * 256间距的红外焦平面阵列，能够通过海军研发的复杂色彩融合算法成像技术，清晰的识别出地雷埋藏的地区，甚至能够分别出地雷所埋藏的时间。而在导弹预警方面，美国的诺格公司安装了对导弹进行探测预警的系统，还在飞机上装载了跟踪传感器等设备。这种系统在探测到导弹飞行所发出的红外辐射后，能够快速警报并且对导弹进行干扰，过程也仅仅需要几秒钟。
而早在2006年，美国军部就布置了天基红外导弹预警卫星，用来探测导弹高速飞行与空气摩擦而产生的红外辐射，卫星根据探测器探测到导弹的位置，为拦截导弹提供立体的探测和监视。
而法国曾经对小像素技术进行了探索，并且得到了初步的一些结论。法国紧接着将会研制25um像素间距测读出电路。
在今后的战争演习中，研制改进红外探测器件将会成为必然。美国为了在战争中取得竞争力，就对红外探测技术进行了深入的探究，这些例子表现出了红外探测技术在世界战场中的发展趋势，基本以红外焦平面技术为主，努力发展CMOS读出电路，为黑夜战争与导弹预警等方面做好准备。
由于红外探测技术在军事探测成像方面做出的突出贡献，我国军事科学家也在积极研发着红外焦平面器件，其优秀的适应抗干扰、低功耗性能，小巧的体积与便携的特点，也得到了军事领域的广泛认可。早在1958年，我国就开始研究红外焦平面的项目，至今50余年，研究所已经研制出了多种规格间距的红外焦平面器件。这些红外焦平面器件具有着优越的性能，但这些优势还是远远不够的。目前由国家顶尖研究机构研制出的红外焦平面产品，相比于国外的水平还是不足的，但是随着摸索发展，相信国内也能够制造出适用的高性能产品。
目前我国将向要求更高的第三代红外焦平面器件转型，第三代红外焦平面器件具有小间距、耐高温、性能更优越、低成本的特点，会成为我国红外探测技术的利器。在当前的军事发展背景下，我国将会致力于红外探测技术的发展，为祖国国防做足准备。
1.3本文的工作安排
本本将会阐述如何设计一个输出缓冲器，通过Cadence电路分析软件，在掌握红外焦平面读出电路的基础上重点分析读出电路像素单元缓冲器的工作原理与设计要点，并且采用工艺模型Spectre仿真软件，最终分析设计出相应电路。
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