Mikrobolometreler için iki aşamalı zamandan sayısala dönüştürücü içeren ve asenkron çalışan yeni bir sayısal tümleşik okuma devresi

Uncooled infrared imaging systems are a light weight and low cost alternative to their cooled counterparts. Uncooled microbolometer IR focal plane arrays (IRFPAs) for applications such as medical imaging, thermography, night vision, surveillance and industrial process control have recently been under focus. These systems have small pixel pitches (< 25 um) and require power efficiency, low noise equivalent temperature difference (NETD) (< 50 mK) and adequate scene dynamic range (> 250 K). Low NETD demands excellent microbolometer and readout noise performance. If sensitive analog circuits, driving long metal interconnects, are part of the pre-digitization readout channel, this necessitates the use of power consuming buffers, potentially in conjunction with noise cancellation circuits that result in power and area overhead. Thus re-thinking at the architectural level is crucial to meet these demands. Accordingly, in this thesis a column-parallel readout architecture for frame synchronous microbolometer imagers is proposed that enables low power operation by employing a time mode digitizer. The proposed readout circuit is based on a bridge type detector network with active and reference microbolometers and employs a capacitive transimpedance amplifier (CTIA) incorporating a novel two-step integration mechanism. By using a modified reset scheme in the CTIA, a forward ramp is initiated at the input side followed by the conventional backward integrated ramp at the output. This extends the measurement interval and improves signal-to-noise ratio (SNR). A synchronous counter based TDC measures this interval providing robust digitization. This technique also provides a way of compensating for self-heating effects. Being highly digital, the proposed architecture offers robust frontend processing and achieves a per channel power consumption of 66 uW, which is considerably lower than the most recently reported designs, while maintaining better than 10-mK readout NETD. Soğutmasız kızılötesi görüntüleme sistemleri, soğutmalı emsallerine göre hafif ve düşük maliyetli bir alternatiftir. Soğutmasız kızılötesi görüntüleme sistemlerinin en bilinenlerinden biri olan mikrobolometreler tıbbi görüntüleme, termografi, gece görüşü, gözetleme ve endüstriyel proses kontrolü gibi uygulamalar için son yıllarda artarak devam eden araştırmalara konu olmuştur. Bu sistemlerin küçük piksel aralıklarına (< 25 um) sahip olması, enerji verimliliklerinin yüksek olması, gürültü performansının yüksek olması (NETD) (< 50 mK) ve yüksek dinamik aralığa (> 250 K) sahip olması gerekmektedir. Düşük NETD mükemmel mikrobolometre ve okuma gürültüsü performansı gerektirir. Eğer hassas analog sinyaller uzun metal bağlantılarla bağlanmışsa, bu durum genellikle gürültü performansını iyileştirmek için yüksek güç tüketen ve fazla alan kaplayan tampon devreler gerektirir. Bu nedenle hem yüksek gürültü performansına ulaşan hem de düşük güç tüketip az alan kaplayan okuma devrelerinin geliştirilmesi için mimari düzeyde yenilikler gerekmektedir. Buna bağlı olarak, bu tezde zaman uyumlu bir sayısallaştırıcı kullanarak düşük gürültülü çalışmayı mümkün kılan mikrobolometre okuma devreleri için sütun-paralel bir okuma mimarisi önerilmiştir. Önerilen okuma devresi, aktif ve referans mikrobolometrelere sahip olan köprü tipi bir dedektör ağına dayanmaktadır ve yeni bir iki aşamalı entegrasyon mekanizmasını içeren kapasitif bir transpedans yükseltecini (CTIA) kullanmaktadır. CTIA'da modifiye edilmiş bir sıfırlama şeması kullanılarak, giriş tarafında ileri bir rampa ve ardından çıkışta geleneksel geriye entegre eden rampa kullanılır. Bu metod, ölçüm aralığını uzatır ve sinyal-gürültü oranını (SNR) iyileştirir. Senkron bir sayaç tabanlı zamandan sayısala çevirici (TDC), bu aralığı ölçerek sağlam dijitalleştirme sağlar. Dahası, bu teknik aynı zamanda kendi kendine ısınma etkilerini telafi etmenin bir yolunu sağlar. Yüksek dijitalliğe sahip olan önerilen mimari, güçlü ön uç işleme sunuyor ve en son bildirilen tasarımlardan oldukça düşük olan, kanal başına 66 uW güç tüketiyor. Bununla beraber 10 mK NETD değeri ile oldukça iyi bir gürültü performansı sunuyor. 109