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1、基于CMOS工藝的太赫茲成像讀出電路陣列的研究張魁2015年1月中圖分類號：TQ028.1UDC分類號：540基于CMOS工藝的太赫茲成像讀出電路陣列的研究作者姓名張魁學院名稱信息與電子學院指導教師呂昕教授答辯委員會主席王學田教授申請學位工學碩士學科專業(yè)電子科學與技術學位授予單位北京理工大學論文答辯日期2015年1月OntheDesignofReadoutCircuitsforTerahertzImagingBasedonStandardCMOSTechnologyCandidateName:KuiZhang
2、SchoolorDepartment:Sch.ofInformation&ElectronicsFacultyMentor:Prof.XinLvChair,ThesisCommittee:Prof.Xue-tianWangDegreeApplied:MasterofEngineeringMajor:ElectronicScienceandTechnologyDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence:Jan.2015研究成果聲明本人鄭重聲明：所提
3、交的學位論文是我本人在指導教師的指導下進行的研究工作獲得的研究成果。盡我所知，文中除特別標注和致謝的地方外，學位論文中不包含其他人已經發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得北京理工大學或其它教育機構的學位或證書所使用過的材料。與我一同工作的合作者對此研究工作所做的任何貢獻均已在學位論文中作了明確的說明并表示了謝意。特此申明。簽名：日期：北京理工大學碩士學位論文摘要太赫茲技術從技術發(fā)展之初就得到了科學各界的高度關注，特別是太赫茲成像系統(tǒng)被廣泛應用于醫(yī)學成像，機場安檢和物質檢測領域，得到了深入地研究。而半導體工藝
4、的發(fā)展，使得利用集成電路技術實現低成本和便攜式太赫茲成像系統(tǒng)有了可能。因此，本文將利用CMOS集成電路工藝，設計可應用于太赫茲FET平方律直接檢波成像系統(tǒng)的讀出電路陣列。本文的主要內容如下：首先，本文分析了FET平方律檢波的原理，并在此基礎上說明了基于該成像原理的讀出電路的設計要求與要點。接著，本文又對讀出電路中的噪聲進行了分析，并對CMOS中的MOS管進行了小信號模型和噪聲模型的建模，進一步指明了在低頻下讀出電路的設計要點是1/f噪聲和直流失調的消除。其次，基于前面的理論分析，本文設計了可用于太赫茲成像系統(tǒng)
5、的讀出電路陣列。整個讀出電路陣列由五部分構成：像元內前置放大器，相關雙采樣保持電路，輸出緩沖級電路以及用于對讀出陣列順序尋址的行列移位尋址寄存器。像元內采用開環(huán)前置放大器一方面可以為極其微弱的檢波器輸出信號提供足夠的增益，另一方面還使得信號免受開關噪聲的影響。相關雙采樣技術的應用進一步提高了讀出電路的噪聲性能，同時消除了前置放大器直流失調的影響。為了便于將信號輸出，進行進一步的信號處理，本文還設計了單位增益的輸出緩沖級電路。利用行列移位寄存器，實現44讀出陣列的串行輸出。最后，整個讀出電路陣列在Cadenc
6、eIC仿真軟件中進行了仿真，并且繪制了版圖。仿真結果表明，前置放大器可以提供75dB的直流增益，單個讀出電路通道上的等效輸入噪聲為25fV2/Hz1/2。整個讀出電路在1.8V供電下消耗了不到16mA的電流，整個版圖的面積為433m354m的面積。關鍵詞：太赫茲，CMOS，讀出電路，成像系統(tǒng)I北京理工大學碩士學位論文AbstractThereissubstantialinterestinterahertz(THz)forapplicationsincommunications,sens-ing,spec
7、troscopy,imaging,andsecurity.AmongthemanyTHzsystems,imagersaremostdesirableastheycanbeimmediatelyadoptedforapplicationsinmedical-imaging,security,andnon-destructiveevaluation(NDE).ToreducecostandmakeTHzintegratedcircuitsareality,approachestowaferlevelintegr
8、ationofcomponentsiscriticallyneeded.Therefore,theKeyfocusofthispaperistowardsthedesignanddemonstrationthereadoutintegratedcircuit(ROIC)forTHzfocalplanearrays(FPAs)basedonthedirectdetectioninFETs.Themai
