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1 电子电路CAD基础和应用技术 课程主讲：郑陶雷 红外焦平面阵列设计 红外焦平面阵列IRFPA的应用 红外焦平面阵列工作原理? 红外焦平面阵列总体设计? 红外焦平面阵列读出电路模块设计 What is IRPFA? 红外焦平面阵列是红外成像系统的关键部件。红外系统发展经历了以下过程：首先，红外探测器由铅盐探测器发展到红外前视仪，红外应用由红外跟踪、导弹寻的发展到飞机上的红外热像系统； 其次，红外焦平面阵列的发展使焦平面不用在扫描方式下工作，代之以凝视工作的焦平面阵列，形成具有较高灵敏度的面阵，例如在硅或蓝宝石衬底上的256×256元HgCdTe阵列已由美国公司Rockwell研制成功。 红外焦平面阵列由探测器阵列和读出电路相连而成。 红外探测器阵列是由红外二极管组成的，行数 ×列数 亦即阵列所含的红外二极管数常用来表征阵列的规模。读出电路通常包括积分器单元阵列和移位寄存器等子电路，其单元阵列与探测器阵列对接，从而实现红外信号的读出。  以红外焦平面阵列作为关键部件是第二代红外成像技术的标志，所以，红外焦平面阵列是红外成像系统的“眼睛”，发展红外焦平面阵列及其读出电路是提高红外成像质量、开发红外应用的必由之路。 红外焦平面阵列发展方向 间接混合电路是使探测器阵列通过布线层与读出电路各输入端相连。利用间接混合技术时对读出电路的面积没有严格限制，故可以设计更复杂的前置放大器，从而加强读出电路的功能，提高读出电路的性能。 随着HgCdTe CdTeGaAsSi的制造工艺PACE的出现，单片红外焦平面阵列的研制取得进展。在芯片上同时集成探测器阵列和读出电路的单片红外焦平面阵列电路，使表面有效感光面积有所减小。如采用硅工艺制造的用于可见光传感的单片焦平面阵列PtSiCCD， 就存在光学占空因子相对较低的问题。 由于硅工艺成本低、技术移植性好，比较成熟，因而单片焦平面阵列适合大规模生产，所以受到产业界的格外关注。 本范例是针对低背景应用的中波红外焦平面阵列64×64元InSb MOS开关阵进行读出电路设计，使其具有前置放大、双相关取样、多路传输功能，并达到用户规定的参数要求。 How does an IRFPA operate?  读出电路分为CCD读出电路 CMOS读出电路，CCD电路的探测器和读出机构都是CCD，因而有利于单片集成，1970年第一块集成有高密度扫描和可见光探测器的单片电路面世了，后来读出电路被用CCD来指代或说成是多路传输器。 红外焦平面阵列的每一探测器是一个象素，焦平面上的探测器阵列构成一幅图象。如果红外焦平面阵列的探测器数目众多，其图象的分辨率就高。这就是为什么在电路设计中要尽量少占用或不占用有限的表面面积，而把足够大的表面面积留给探测器阵列的原因。红外焦平面阵列在进行图象传输时，扫描电路对行、列分别扫描。在行扫描到某一行时，列扫描信号使这一行中的各探测器元依次输出象素信号，当行扫描到下一行时，列扫描重复动作，使输出下一行的象素信号， 当行扫描对各行扫过一遍时，红外焦平面阵列传出完整的一帧图象，类视于电视图象的扫描。扫描电路的作用是有序选址。在电路工作的任一时刻，选中的象元将探测器电流在电容上积分得到的电荷传输至总线，总线连接输出级，把象素信号送下去。对于总线并不区分信号来自哪个地址，只要扫描电路工作，有序选通的开关送来对应地址的象素信号，总线就逐一传输。所以，借助于扫描电路，红外焦平面阵列对红外信号进行多路传输，输出视频信号。 读出电路按读出单元阵列、行扫描电路、列扫描电路等基本功能块划分为三块。基本工作原理如前所述，MOS开关阵列与InSb红外探测器阵列一一对应，通过In柱互连。行扫描电路采用移位寄存器，列扫描电路对列信号经前置放大电路、双相关取样电路、偏置电路和移位寄存器传输，达到抑制噪声、高效传输图象信号的目的。 红外焦平面阵列读出一行象素所用的时间称为行时间（行时间＝列数×每一列选通时间）。 红外焦平面阵列读出各行象素所用的时间称为帧时间（帧时间＝行数×行时间）。帧频是图象处理的术语，定义为单位时间内传输图象的帧数。 电视的帧频为25帧 秒，红外成像的帧频也大致在此频率附近，随应用中的具体条件等因素而定。对于64×64元红外焦平面阵列，行频是帧频的64倍。如果帧频为5帧 秒，则行频是320帧 秒，列频达到20,480帧 秒。一般地列扫描使用的工作频率比行扫描的高，对于64×64元、128×128元红外焦平面阵列进行扫描时，列扫描的工作频率比行扫描高12个数量级。所以对列扫描的频率要求较高 读出电路的功能框图 读出电路按读出单元阵列、行扫描电路、列扫描电路等基本功能块划分为三块。基本工作原理如前所述，MOS开关阵列与InSb红外探测器阵列一一对应，通过In柱互