In this thesis, research into read-in integrated circuits (RIICs) for infrared scene projectors (IRSPs) is described. In particular, unlike conventional RIICs, mode-selective RIICs are proposed to simultaneously satisfy the need for wide thermal range and fine thermal resolution. First, a novel RIIC containing switches, a feedback resistor and a diode-connected transistor is proposed. With switch control, a pixel can operate in three modes. The feedback resistor and diode-connected transistor in each pixel help to generate a dual-sloped input to output curve for fine resolution around 300K. The prototype was fabricated using the TSMC 0.35 $\mu$m CMOS process, and it was verified that the IR emitter driven by the proposed circuit could generate upto 745 K with < 30mK resolution around 300 K. Second, to guarantee data-sampling accuracy with high spatial resolution and high-speed operation, a column DAC design is proposed and a piece-wise linear DAC structure was adopted. The prototype was fabricated using the On-semiconductor 0.18 $\mu$m CMOS process, and from the measured data analysis, it was verified that the chip design could operate at the target speed. Its monotonicity was also confirmed by varying the 12-bit digital input. Third, to improve pixel-to-pixel uniformity, a new current-driven RIIC pixel is proposed. In particular, the proposed pixel can operate in snapshot mode, which enables it to emit radiation in array simultaneously for high-speed IR scene operation, without the need for a unity-gain buffer. The prototype was designed with the SK-Hynix 0.18 $\mu$m CMOS process. The nonuniformity immunity was tested taking account of the mismatch properties, and it was verified that the emitter current variation could be reduced from 20 $\mu$A to 0.1 $\mu$A. It was also confirmed that the uniformity, being the standard deviation of the radiance divided by the average radiance, could be reduced from 21% to 0.1%.
본 논문에서는 적외선 센서의 동작을 평가하기 위한 시스템인 적외선 영상 투사기에 사용되는 신호입력회로 (Read-in integrated circuit)에 관한 연구를 소개하고자 한다. 특히 기존의 한 가지 모드로 구동되는 회로와 달리 모드 선택적 구동을 통해 넓은 온도 범위와 높은 온도해상도의 적외선 영상 구현이 가능한 회로 및 회로 간 불균일도를 개선할 수 있는 새로운 구조의 단위 회로 구조를 제안하였다. 또한 고속 동작을 위한 column D/A 변환기 및 픽셀 간 불균일도 개선을 위한 전류 입력 방식의 단위신호입력회로를 제안하였다. 첫 번째 주제는 높은 온도 범위와 세밀한 온도 해상도 구현을 위한 새로운 구조의 단위 신호입력회로에 관한 것이다. 본 연구에서는 dual-sample and hold 구조를 통한 안정적인 전류 구동과 동시에 피드백 저항 및 다이오드 연결 트랜지스터를 통한 특성 곡선 변경을 통해 300 K 근방에서의 높은 온도 해상도 구현이 가능하도록 단위 픽셀을 설계하였다. 제작된 회로로 적외선 이미터를 구동할 경우, 최대 745 K까지 구동 가능하며, 300 K 근방에서는 12-bit DAC 사용 기준 30 mK 의 온도해상도를 갖는 영상을 구현할 수 있음을 확인하였다. 두 번째 주제는 적외선 영상 투사기의 대면적화 및 고속 동작으로 인한 단위 픽셀 선택 시간 감소에 따른 영상 질 저하를 개선하기 위한 column DAC 설계에 관한 것이다. 특히 Piecewise linear DAC 구조를 적용하여 DAC간 불균일도 개선을 도모하였으며, 외부 기준 전압을 변경함에 따라 선택적으로 온도 해상도 및 온도 범위를 조절할 수 있다는 특징을 가진다. 칩 제작 및 측정을 통해 제작된 칩이 목표로 하는 속도로 동작함을 확인하였으며, 12-bit 디지털 입력 대비 선형적인 출력 전압 특성을 가짐을 확인하였다. 세 번째 주제는 신호입력회로 간 불균일도를 개선하기 위한 단위 픽셀 구조에 관한 것이다. 특히 해당 구조는 이중의 전류 구동 회로 구조를 적용함으로써 전류 구동 방식의 동작이 가능함과 동시에 픽셀 내 버퍼 없이도 어레이를 구성하는 픽셀이 동시에 적외선을 출력하는 스냅샷 (snapshot) 동작이 가능하다. Cadence 시뮬레이션을 통해 해당 구조로 적외선 이미터를 제어할 경우, 21 % 의 픽셀 간 불균일도를 0.1 % 이내로 줄일 수 있음을 확인하였다.
