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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(hào)：TQ028.1UDC分類號(hào)：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(xué)院名稱信息與電子學(xué)院指導(dǎo)教師呂昕教授答辯委員會(huì)主席王學(xué)田教授申請(qǐng)學(xué)位工學(xué)碩士學(xué)科專業(yè)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)位授予單位北京理工大學(xué)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(xué)位論文是我本人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作獲得的研究成果。盡我所知，文中除特別標(biāo)注和致謝的地方外，學(xué)位論文中不包含其他人已經(jīng)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(xué)或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書所使用過的材料。與我一同工作的合作者對(duì)此研究工作所做的任何貢獻(xiàn)均已在學(xué)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(xué)碩士學(xué)位論文摘要太赫茲技術(shù)從技術(shù)發(fā)展之初就得到了科學(xué)各界的高度關(guān)注，特別是太赫茲成像系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)成像，機(jī)場(chǎng)安檢和物質(zhì)檢測(cè)領(lǐng)域，得到了深入地研究。而半導(dǎo)體工藝
4、的發(fā)展，使得利用集成電路技術(shù)實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)可應(yīng)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(nèi)容如下：首先，本文分析了FET平方律檢波的原理，并在此基礎(chǔ)上說明了基于該成像原理的讀出電路的設(shè)計(jì)要求與要點(diǎn)。接著，本文又對(duì)讀出電路中的噪聲進(jìn)行了分析，并對(duì)CMOS中的MOS管進(jìn)行了小信號(hào)模型和噪聲模型的建模，進(jìn)一步指明了在低頻下讀出電路的設(shè)計(jì)要點(diǎn)是1/f噪聲和直流失調(diào)的消除。其次，基于前面的理論分析，本文設(shè)計(jì)了可用于太赫茲成像系統(tǒng)
5、的讀出電路陣列。整個(gè)讀出電路陣列由五部分構(gòu)成：像元內(nèi)前置放大器，相關(guān)雙采樣保持電路，輸出緩沖級(jí)電路以及用于對(duì)讀出陣列順序?qū)ぶ返男辛幸莆粚ぶ芳拇嫫?。像元?nèi)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(hào)提供足夠的增益，另一方面還使得信號(hào)免受開關(guān)噪聲的影響。相關(guān)雙采樣技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)一步提高了讀出電路的噪聲性能，同時(shí)消除了前置放大器直流失調(diào)的影響。為了便于將信號(hào)輸出，進(jìn)行進(jìn)一步的信號(hào)處理，本文還設(shè)計(jì)了單位增益的輸出緩沖級(jí)電路。利用行列移位寄存器，實(shí)現(xiàn)44讀出陣列的串行輸出。最后，整個(gè)讀出電路陣列在Cadenc
6、eIC仿真軟件中進(jìn)行了仿真，并且繪制了版圖。仿真結(jié)果表明，前置放大器可以提供75dB的直流增益，單個(gè)讀出電路通道上的等效輸入噪聲為25fV2/Hz1/2。整個(gè)讀出電路在1.8V供電下消耗了不到16mA的電流，整個(gè)版圖的面積為433m354m的面積。關(guān)鍵詞：太赫茲，CMOS，讀出電路，成像系統(tǒng)I北京理工大學(xué)碩士學(xué)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
