殘差時間計數型InGaAs 脈沖頻率調制數字讀出電路研究

王緒泉，汪鴻祎，張永剛，黃松壘，方家熊

（1 中國科學院上海技術物理研究所傳感技術聯合國家重點實驗室，上海 200083）

（2 中國科學院上海技術物理研究所中國科學院紅外成像材料與器件重點實驗室，上海 200083）

（3 中國科學院大學，北京 100049）

0 引言

近紅外（Near-infrared，NIR）光譜分析技術具有快速、無損、高效率的特點，是物質成分分析的重要手段［1-2］。近年來，便攜式微型光譜儀和光譜傳感物聯網的發展推動了光譜分析技術向野外現場分析和在線檢測應用拓展［2-6］，這對紅外光譜傳感器的動態范圍和抗干擾能力等性能提出了更高的要求。與傳統模擬讀出方式相比，數字讀出電路通過在紅外焦平面的列級或像素級位置集成模數轉換器（Analog to Digital Converter，ADC），縮短了模擬信號通路，有益于增加信號傳輸的抗干擾能力［7］。數字讀出電路是紅外焦平面片上數字信號處理的前提，是紅外智能傳感器發展的關鍵技術環節，根據應用需求選擇集成不同的數字化結構，可有效提升信號讀出質量和焦平面性能。

脈沖頻率調制（Pulse Frequency Modulation，PFM）型數字讀出電路結構，又被稱作電荷包計數型結構，可以在一個積分周期內對積分電容多次復位，將探測器的光電流轉化為數字脈沖［7-10］。由于光電流大小與產生的數字脈沖頻率成正比，因而可以使用積分時間內的脈沖累加計數值作為數字碼值，實現探測器光電流的數字積分。傳統結構的數字讀出電路，如單斜率型、逐次逼近性和過采樣型等，都是在對紅外探測器的光敏電流進行模擬電壓積分，因此難以突破電壓擺幅和電容大小決定的“天花板”限制。……