Readout Integrated Circuits (ROIC) have been commonly implemented with analog video output buffers throughout history. Image signals are converted into digital by an external ADC card, which is placed outside the Dewar. Although analog output method is easier to implement, it is susceptible to the environmental noise due to the non-differential output. Moreover, the ADC proximity card placed outside of the dewar contributes to the system complexity.This thesis presents the design of a single slope ADC dedicated to digital output readout integrated circuit for cooled infrared detectors.The objective is to develop an ADC stage integrated into ROIC which enables ROIC to have digital output. Digital output method isolates noise caused by out of ROIC mediums. At the system level, removal of the ADC proximity card reduces system complexity and volume of the IDDCA system which is important for avionic andvimissile applications. It also reduces the system cost associated with external ADC components.A digital output ROIC is fabricated using standard commercially available 0.18 μm CMOS technology. Column parallel topology is adopted as ADC placement method inside ROIC. ADC is cryogenic compatible which is essential for infrared systems. Cryogenic temperature causes significant parameter shifts for MOS transistors. Therefore, feedback based calibration circuit is implemented within ADC in order to prevent integral nonlinearity (INL) error. ADC is guaranteed to be monotonic because of the selected single slope ADC architecture. Implemented design is suitable for 15 μm pixel pitch imaging applications. The dimensions of the column ADC and shared circuitry are 370 μm x 30 μm and 660 μm x 540 μm, respectively. Input signal swing range of the ADC is 2 V, and the implemented design includes an out of swing range recovery circuit in case of very bright conditions.ADC has been functionally verified and infrared images are sampled with the fabricated ROIC and a LWIR detector. Implemented ADC has 12 bits of resolution and supports 27 kHz sampling speed. It also has programmable high speed mode that extends conversion speed to more than 100 kHz with 10 bits resolution or 50 kHz with 11 bits resolution. Simulated SNR performances of the ROIC are 73.7 dB at cryogenic temperature and 71.22 dB at room temperature. Measured noise count is less than 1 LSB RMS in all cases. Power consumption is less than 40 μW per column ADC which makes digital output ROIC feasible compared to its analog output counterpart.

Okuma devrelerinin tarihsel gelişimini inceleyince, okuma devrelerinin genellikle analog çıkışlı olarak kullanıldığını görmekteyiz. Bu tür okuma devreleri soğutucu hazne dışarısında harici bir ADC kartına ihtiyaç duymaktadırlar. Analog çıkışlı okuma devrelerinin tasarımları daha kolaydır fakat farksal olmayan analog çıkış yüzünden çevresel gürültüye karşı maruz kalmaktadır. Ayrıca harici ADC kartının tasarımı sisteme fazladan karmaşıklık getirmektedir.Bu tezde, sayısal çıkışlı kızılötesi dedektör okuma devreleri için analog sayısal çevirici tasarımı anlatılmaktadır.Bu araştırmanın amacı sayısal çıkışlı okuma devresinin içerisine entegre edilecek ADC devresinin tasarımıdır. Sayısal çıkış, harici etmenlerden kaynaklanan gürültüye karşı koruma sağlamaktadır. Sistem düzeyinde, harici ADC kartının çıkarılması, sistem karmaşıklığını ve hacmini azaltmaktadır. Hacmin azalması havacılıkviiiuygulamaları için çok önemli olmaktadır. Ayrıca harici olarak kullanılan ADC komponentlerine ihtiyaç kalmayacağı için sistemin maliyeti azalmakatadır.Proje kapsamında, içerisinde tasarlanan ADC'nin de yer aldığı sayısal çıkışlı okuma devresi, standart ticari olarak erişilebilir 0.18 μm CMOS üretim teknolojisi kullanılarak ürettirilmiştir. ADC'nin ROIC içerisine yerleşimi, sütun paralel mimari kullanılarak yapılmıştır. Tasarlanan ADC, kızılötesi dedektörlerin gerektirdiği krayojenik sıcaklıklarda çalışmaya uygun olarak tasarlanmıştır. Kryojenik sıcaklıklar, MOS transistörler üzerinde ciddi parametre değişikliklerine yol açmaktadır. Bu sebeple geri beslemeli kalibrasyon devresi kullanılarak kümülatif doğrusallıktan sapma hatası (INL) giderilmiştir. Ayrıca, seçilen tek rampalı ADC mimarisinin özelliğinden dolayı devrenin monotonik olarak çalışması garantilenmiştir. ADC, 15 μm piksel adımına sahip görüntüleme uygulamaları için tasarlanmıştır. Sütun içersinde yer alan devrenin serim alanı 370 μm x 30 μm ve harici olarak paylaşılan devrenin serimi 660 μm x 540 μm alan kaplayacak şekilde tasarlanmıştır.Yapılan testler sonucunda ADC'nin fonksiyonel olarak çalıştığı ve performans isterlerini sağladığı belirlenmiştir. Ayrıca LWIR dedektör ile birleştirilerek kızılötesi görüntü alınmıştır. Tasarlanan ADC 12 bit çözünürlüğünde olup, 27 kHz çevrim hızında çalışabilmektedir. Gerektiğinde, çözünürlükten feragat ederek daha hızlı çalışma özelliğine sahip olup 50 kHz çevrim hızında 11 bit ve 100 kHz çevrim hızında 10 bit hızı desteklemektedir. Benzetimler sonucu ADC'nin gürültü performansı krayojenik ortamda 73.7 dB ve oda sıcaklığında 71.22 dB olarak görülmüştür. Ölçümler sonucu gürültü dağılımının 1 LSB seviyesinden düşük olduğu tespit edilmiştir. ADC devresinin güç tüketim değeri 40 μW'tan düşüktür. Bu durum neticesinde, güç tüketimi açısından sayısal çıkışlı okuma devrelerinin, analog çıkışlı benzerlerine göre muadil seviyede uygulanabileceği görülmüştür.