1 北京空间机电研究所，北京 100094
2 首都师范大学数学科学学院，北京 150001
3 兰州大学物理科学与技术学院，甘肃 兰州 730000
Overview: In order to achieve the measurement of gravitational wave signals in the millihertz frequency band, the space-based gravitational wave detection projects such as LISA, TianQin, and Taiji projects, which are based on laser interference systems, require the hardware noise floor of the interferometers to be lower than the interstellar weak light shot noise limit. This imposes stringent engineering specifications on the optical-mechanical design and the corresponding interferometer payload. This paper approaches the issue from the perspective of detection mode selection and derives the expressions of readout noise and stray light noise in the interference signal under the single detector mode and the balanced mode. Furthermore, a detailed discussion is provided on the weak-light interference process of the scientific interferometer. The results demonstrate that the balanced mode is capable of suppressing the interference phase noise caused by laser power fluctuations and backscattered stray light across multiple orders of magnitude. However, the suppression capability is constrained by the unequal splitting property of the beam combiner. To address this, a relative gain factor is introduced to compensate for the unequal splitting property of the beam combiner. Further analysis reveals that electronic gain compensation can only eliminate the impact of unequal splitting on one of the two noises rather than both simultaneously. Therefore, a balance must be struck in selecting gain compensation between the suppression of laser power fluctuation noise and stray light noise. Even with this consideration, the balanced mode still offers significant noise suppression capabilities at a magnitude difference, thus potentially reducing the engineering requirements for laser power fluctuations and telescope backscattered stray light.
引力波探测 平衡探测模式 读出噪声 杂散光分析 gravitational wave observation balanced detection mode read out noise straylight analysis 红外与激光工程
2024, 53(1): 20230364
1 中国科学院上海技术物理研究所 传感技术联合国家重点实验室，上海 200083
2 中国科学院上海技术物理研究所 中国科学院红外成像材料与器件重点实验室，上海 200083
3 中国科学院大学，北京 100049
4 上海科技大学，上海 201210
红外焦平面探测器正朝着更大规模、高帧频、高集成度的方向发展。在高速目标跟踪探测、感兴趣区域成像等应用场景，需要解决高速读出时面临的功耗较高的难点。文中提出了一种数字IC的可编程开窗IP核设计，并通过采用列级分时选通技术，实现对640×512读出电路列模块的超低功耗优化。像素单元电路包含CTIA输入级、双采样保持结构和跟随输出，折衷优化了面积、噪声和增益等因素。相较于传统用门级电路定制设计实现的开窗方式，可编程开窗数字IP核对于不同面阵规格具有良好的可扩展性，并且可以借助后端软件综合优化版图布局，从而缩短设计周期。实际研制中采用0.18 µm 标准CMOS工艺完成了中心距15 µm的640×512读出电路设计及流片验证，并与640×512元短波红外InGaAs探测器芯片进行了耦合测试，结果表明分时选通技术有效降低了列级电路功耗，电路读出总功耗小于80 mW，列级功耗仅为15 mW，读出速率达到15 MHz，可编程开窗IP核功能正常，可以实现指定区域的开窗功能。
可编程随机开窗 分时选通技术 读出电路 铟镓砷 短波红外 programmable arbitrary windowing time-selection technology ROIC InGaAs short-wave infrared 红外与激光工程
2023, 52(12): 20230241
半球谐振陀螺具有结构简单、抗辐射与冲击、寿命长、可靠性高等优点，其中驱动电路是获取高精度陀螺信号的关键。对影响半球谐振陀螺性能指标的单元电路展开了研究及优化设计，基于微弱信号处理、滤波等技术研究了提高检测电压稳定的方法。采用 Tina-TI软件对设计电路的性能进行了仿真，实现了增益 40dB、噪声 4.81μV/Hz的整体电路设计。搭建陀螺样机测试了电路，根据实验结果给出了 HRG不同叠加激励信号的作用下其输出信号的演变趋势。结果表明：随着直流、交流电压的增加，均会增大半球谐振陀螺输出信号的幅值；当激励信号电压不变时，交流信号的频率改变也会影响半球谐振陀螺输出信号的幅值。因此，研究半球谐振陀螺的激励信号对输出信号的影响，为设计半球谐振陀螺的驱动电路提供了参考。
半球谐振陀螺 读出电路 仿真 信号检测 激励信号 hemispherical resonant gyro readout circuit simulation signal detection drive signal
湖南师范大学物理与电子科学学院, 湖南长沙 410081
荧光光纤温度传感器利用光纤技术的远距离传输, 避开了恶劣的测温环境, 相较传统有源测温设备的接触式测量, 更适合在强电磁场、高压腐蚀等极端环境下的温度检测。针对传统的单通道电路读出结构易受外界干扰的弊端, 本文设计了一种双通道的小型实用的荧光测温系统。整个测温系统分为光路设计、电路设计和程序设计 3个部分。采用两路通道差分相减的创新思想, 完全消除了直流分量且基本不含有随机噪声, 从而得到了单一光滑的荧光衰减信号。最后通过标定实验, 得到荧光寿命与温度之间的函数关系。实验结果表明, 在 10~130 ℃的温度范围内, 标准温度偏差为 0.5 ℃, 基本满足强电磁场、高压腐蚀、微波热疗等一些恶劣环境下的测温需求。
荧光测温 双通道 信号读出 衰减曲线 fluorescence temperature measurement dual-channel signal readout attenuation curve 太赫兹科学与电子信息学报
2023, 21(10): 1278
中国电子科技集团公司第十一研究所， 北京100015
数字化红外探测器的读出电路晶圆测试是评价晶圆的重要环节。在现有探针台测试设备的基础上，研制了一块电路板装置。它既可驱动晶圆工作，也可将不同形式的数字化输出信号转换为统一的数字图像传输格式,而且测试过程中可对电路板参数进行设置。首先对红外探测器读出晶圆测试系统进行了介绍，然后对研制的测试电路板装置进行了原理分析。最后将此电路板进行硬件实现，并编写了内部测试程序，完成了功能验证。对差分输出和单路输出两种形式的晶圆进行了测试，其结果与晶圆低温下的测试结果一致，数据准确可靠。此外电路装置有100个输入接口，可重复编程，支持24bit及以下输出位宽数字化晶圆的测试，使测试系统具有更高的兼容性和灵活性。
读出电路 数字化红外探测器 晶圆测试系统 兼容性 readout circuit digital infrared detector wafer test system compatibility
介绍了一种具有2×2像元合并功能的红外读出电路(10 m中心间距)。该电路兼具高分辨率和高帧频的特点，可以满足远距离搜索和近距离跟踪识别两种应用模式下的需求。像元合并前，读出电路的阵列规格为1280×1024，像元中心距为10 m，空间分辨率高，可用于近距离跟踪识别模式。像元合并后，阵列规格变为640×512，像元中心距变为20 m，灵敏度高，可用于远距离搜索模式。此外，这种电路采用串口输入控制方式，具有积分后读出(Integrate Then Read，ITR)/积分同时读出(Integrate While Read, IWR)工作模式切换、4/8通道可选、翻转和功耗控制等功能。本电路采用GF 018 m工艺进行设计。仿真结果表明，在像元合并后，读出电路可达到的最大帧频变为原来的2倍。
读出电路 像元合并 高分辨率 高帧频 circuit pixel binning high resolution high frame rate0
1 厦门理工学院 光电与通信工程学院, 福建 厦门 361024
2 北京大学 电子学院 碳基电子学研究中心, 北京 100871
随着红外技术和探测器性能的进步, 中波和短波红外技术在恶劣天气中具有更优秀的成像性能, 在民用、**和航空航天等领域中得到了越来越广泛的应用。读出电路作为连接探测器阵列与后级图像处理电路的关键模块, 其性能对中短波红外相机系统性能具有重要影响, 决定了最终的成像质量。文章综述了中短波红外图像传感器读出电路的发展现状, 分析了读出电路中噪声、动态范围、帧频等问题, 重点探讨了针对以上问题的解决方案。最后对读出电路未来设计的改进方向进行了讨论。
中/短波红外 图像传感器 读出电路 动态范围 MW/SWIR image sensor ROIC dynamic range
1 重庆光电技术研究所,重庆 400060
2 天津大学 微电子学院,天津 300072
针对3D集成式多光谱TDI-CMOS图像传感器的数字化处理和高速读出需求，为了解决与TDICCD探测器的整体布局、物理尺寸和接口的匹配性和一致性问题，研制了适用于五谱段TDICCD的CMOS读出电路芯片。该读出电路芯片创新地设计了一种使用多相位ADC时钟、支持相关多次采样的新型列级单斜ADC电路结构，实现了TDICCD信号的数字化和高速输出，有效提升了探测器的动态范围和噪声指标。流片测试结果表明：读出电路芯片的功能正常，集成式TDICCD的成像效果良好，新型列级ADC工作正常，读出电路以最小9.5 μs的行周期输出14 bit数据，相关多次采样具备降低输出信号噪声的作用，实现了TDICCD信号的高精度数字化处理和高速输出，满足3D集成式TDI-CMOS图像传感器的研制要求。
CMOS读出电路 多光谱TDICCD 芯片3D集成 单斜ADC 相关多次采样 CMOS readout circuit multispectral TDICCD 3D integration of IC single-slope ADC correlated multiple sampling
陆逸凡 1,2,3汪鸿祎 1,2,3陶文刚 1,2,3,4曹嘉晟 1,2,3[ ... ]李雪 1,2
1 中国科学院上海技术物理研究所 传感技术联合国家重点实验室, 上海 200083
2 中国科学院上海技术物理研究所 中国科学院红外成像材料与器件重点实验室, 上海 200083
3 中国科学院大学,北京 100049
4 上海科技大学,上海 200083
为了适应第三代红外焦平面高密度、微型化发展方向,设计了一款大面阵小像元低功耗640×512-5 μm InGaAs短波红外焦平面读出电路。重点研究了3T像素单元简易结构的性能,分析其对芯片暗电流、焦平面噪声的影响,实现了卷帘曝光工作方式、列级缓冲器动态工作以及四通道输出功能。利用可编程增益放大器,实现增益可调以及噪声抑制功能。基于0.18 μm 3.3 V标准CMOS工艺,在输入时钟频率为5 MHz条件下,对小像素单元进行性能分析,阵列窗口进行四通道输出以及线性度仿真。结果表明,电容反馈跨阻放大器（CTIA）输入级偏压变化约30 mV,工作帧频为54 Hz,输出摆幅为1.7 V,最大功耗小于150 mW,线性度为99.987%。
小像元 红外焦平面阵列 读出电路 CTIA结构 暗电流 small pixel IRFPA ROIC CTIA structure dark current
