双色红外焦平面器件是第三代红外焦平面器件朝多波段探测方向发展迈出的关键一步。双色探测器能同时接收两个波段的红外辐射并从中提取出目标的光谱信息和温度信息,具有较强的目标识别能力,是目前红外探测领域研究的热点。其光电流信号的积累与读出需依赖于采用亚微米、深亚微米工艺的专用读出电路。本课题所设计的焦平面读出电路,主要围绕320×256同步读出型中/长波双色红外焦平面器件的光响应特点而展开,其设计重点主要包括以下几个方面。首先,中/长波双色焦平面器件同一像元内集成有两个不同波长的探测结构,两者在注入电流及动态输出阻抗上均存在有数量级的差异。长波探测器输出动态阻抗较小而光电流较大,为达到高的注入效率的要求,在其注入结构的设计中需着重考虑。其次,通常双色探测器像元中心距为30~50,而新一代双色器件的尺寸将进一步减小,较小的像元尺寸极大地限制了单元电路的设计与布局。为满足中波、长波光信号积分时间及电荷容量的要求,需提出新的电路结构设计方案。再次,320×256双色探测器面阵已达到中、大规模,在电路设计时需要对芯片的速度、功耗以及性能等方面做出权衡与比较。基于中/长波双色红外焦平面器件的上述特点,对其读出电路设计与研究富有一定的挑战性并具有较高的工程应用价值。本文所研究的双色读出电路主要由光信号积分电路、采样保持电路、信号传输链路及输出级等功能模块构成。在各种常用结构分析与比较的基础上,选用直接注入(DI)结构作为中波探测器的注入电路;而选用缓冲直接注入(BDI)结构作为长波注入电路。BDI的缓冲放大器采用了单边结构,具有高增益、低功耗、高稳定性、低噪声等特点,适合在低温条件下工作。为此本文针对上述两种结构在注入效率、噪声特性、频响特性等性能参数上作了相应的理论推导、仿真验证以及比较分析。另外,针对有限像元面积内提升电荷容量的特殊要求,本文创新性地提出了像元间多电容共享的方案,有效解决了双色单元电路电荷容量受限的问题。经仿真验证,中/长波总电荷容量可达70Me-/像元。基于华虹1P4M CMOS工艺实现了320×256双色读出电路的设计与流片,完成了电路芯片的常温晶圆测试、低温电路测试以及与中/长波碲镉汞探测器的耦合测试。经低温测试验证,在2.5MHz读出速率下,电路有效输出摆幅为2.5V,均方根噪声电压为0.5m V,输出动态范围可达到73d B。测试结果表明,电路各项功能正常,各项性能参数达到了预设指标要求,适用于中/长波双色红外探测器的需求。根据中/长波双色焦平面器件的发展趋势,本文在总结50中心距320×256双色电路设计与测试评价的基础上,提出了像元间电路进一步的共享方案,基于上华1P6M CMOS工艺完成了30中心距单元电路的设计与仿真,并对单元版图内数字对模拟模块的干扰进行了着重优化。经仿真验证,中/长波总电荷容量可达50Me-/像元,在2.5MHz读出速率下,电路有效输出摆幅为1.7V,输出非线性小于0.01%。