红外焦平面阵列原理及其分类

1.自积分型读出电路（si roic）　

在所有读出电路结构中，自积分（si）电路（图3）最为简单，仅有一个 mos 开关元件，其象元面积可以做得很小。在 si 电路中，光生电流（或电荷）直接在与探测器并联的电容上积分，然后通过多路传输器输出积分信号。此读出电路的输出信号通常是取其电荷而非电压，其后接电荷放大器，在每帧结束时需由象元外的电路对积分电容进行复位。积分电容主要为探测器自身的电容，但也包括与之相连的一些杂散电容。在某些探测器中，此电容可能是非线性的（如光电二极管的结电容），随积分电荷的增加，其会造成探测器的偏置发生变化，可能引起输出信号的非线性。该电路的另一个缺点是无信号增益，易受多路传输器和列放大器的噪声干扰。

2.源随器型读出电路（sfd roic）

为了给多路传输器提供电压信号，并增加驱动能力，往往在 si 后加缓冲放大器。实现此功能的通常方法是在每个探测器后接一mosfet 源随器（sfd），即构成源随器型读出电路（图4）。源随器型读出电路是一种直接积分的高阻抗放大器，探测器偏压由复位电平决定，故不存在探测器偏压初值不均匀的问题，但偏压会随积分时间和积分电流变化，引起探测器偏置变化。sfd电路在很低背景下具有较满意的信噪比，但在中、高背景下，与 si 读出电路一样，其也有严重的输出信号非线性问题。复位 mos 开关会带来 ktc 噪声，而源随器 mos 管的 1/f 噪声和沟道热噪声也是主要的噪声源。

3.直接注入读出电路（di roic）

直接注入（di）电路（图5）是第二代探测器（即探测器阵列）使用最早的读出前置放大器之一。它首先用于 ccd 红外焦平面阵列，现也用于 cmos 红外焦平面阵列。在此电路中，探测器电流通过注入管向积分电容充电，实现电流到电压的转换，电压增益的大小主要与积分电容的大小有关，当然也受电源电压的限制。此电路在中、高背景辐射下，注入管的跨导（gm）较大，这主要是因积分电流较大的缘故。此时，读出电路输入阻抗较低，光生电流的注入效率相对较高。在低背景下，因注入管的跨导减小，使读出电路的输入阻抗增大，会降低光生电流的注入效率。在一定的范围内，di 电路的响应基本上是线性的。但因各象元注入管阈值电压的不均匀性，会在焦平面阵列输出信号中引入空间噪声，因而抑制焦平面阵列的空间噪声是一个非常棘手的问题。

4.反馈增强直接注入读出电路（fedi roic）

反馈增强直接注入电路（fedi）以 di 读出电路为基础，在注入管栅极和探测器间跨接一反相放大器（图6），其目的是在低背景下，进一步降低读出电路的输入阻抗，从而提高注入效率和改善频率响应。视反馈放大器的增益不同，fedi的最小工作光子通量范围可以比 di 低一个或几个数量级，响应的线性范围也比 di 的更宽。但象元的功耗和面积也随之增加了，面积的增加对现在日益发展的光刻技术并非什么大问题，但功耗的增大就很不利。

5.电流镜栅调制读出电路（cm roic）

电流镜栅调制电路（cm）可使读出电路在更高的背景辐射条件下工作（图7）。通常，读出电路的积分电容是在象元电路内，因受面积的限制，故不可能做得很大。在高背景的应用中，很大的背景辐射电流可使积分电容电压很快地处于饱和状态，从而使读出电路失去探测信号的功能。cm 读出电路可避免这种情况的发生，这种电路的电流增益与探测器输出电流的平方根成反比例关系，即随探测器输出电流的增大，电流增益自动减小。但是，cm 电路不能为探测器提供稳定和均匀的偏置，其响应也是非线性的。因而，此读出电路的总体性能受限。