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

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.