红外光电探测成像技术是一种具有强抗干扰能力的探测技术，被广泛应用于军事、医疗、工业、安防等领域。红外焦平面阵列作为红外光电探测成像系统的重要组成部分，是探测、识别并分析目标物体信息的关键，由探测器和读出电路组成。小像元和大规模是第三代红外焦平面探测器的重要发展方向，有助于实现高空间分辨率、高可信度和远距离探测，提高系统成像和识别能力，便于整机小型化、微型化应用。其中，读出电路作为前端信号处理电路，直接决定成像系统的性能。因此，为适应探测器发展方向，开展小像元、大规模读出电路研究工作，具有重要的学术意义和工程应用价值。本文针对5μm超小像元中心距、640×512阵列规模InGaAs短波红外探测器，在紧凑的像元面积条件限制下，实现大规模读出电路的功耗有效控制、增益可调以及固定模式噪声抑制等，保证模拟信号的高效输出。主要研究内容及成果如下：（1）针对小像元面积限制，分析对比各种小像元输入级电路的结构特点。根据InGaAs短波红外探测器的特点以及低功耗、低背景强度应用场景，选择高注入效率的电容反馈跨阻放大器（CTIA）作为输入级。为适应小像元探测器，采用单端CTIA结构，有效减少版图面积和功耗。对不同光生电流进行瞬态仿真，输出电压线性度为99.76%，单个像元功耗为105.6nW。由于单端CTIA结构在积分过程中偏置电压发生微弱变化，对小像元输入级电路进行不同工艺角仿真，结合InGaAs光敏芯片器件特性，提出改善焦平面噪声的方案。（2）创新性地提出了小像元读出电路整体架构，分为模拟信号处理和数字信号时序控制。模拟信号通路包括小像元单元电路阵列、列级信号处理电路和输出缓冲器。其中，列级信号处理电路由三个部分组成。隔离缓冲器用来避免前后级电路出现电荷分享，影响采样精度；电荷放大器实现伪相关双采样和增益可调，有效降低前级电路的固定模式噪声；列级输出缓冲器采用动态工作的方式，仅在列选通时工作在大电流模式，降低整体阵列电路的功耗。仿真结果表明，在时钟频率为5MHz条件下，系统帧频为54Hz，输出摆幅为1.7V，功耗为96.15mW，输出电压线性度为99.46%，符合设计指标要求。除此之外，设计一款与温度无关的带隙基准电路，温漂系数8.7ppm/℃，为读出电路阵列提供稳定的基准电压。（3）基于读出电路整体结构，完成小像元读出电路系统时序控制信号设计。从数据读取方式、系统工作模式、时钟选择依据角度出发，采用行读取与四通道输出的数据读取方式和卷帘曝光的工作模式，提出完整的640×512焦平面阵列系统时序方案。同时给出具体的时序控制电路，包括分频器、控制信号产生电路和行移位寄存器等。（4）小像元读出电路版图设计及优化。采用标准的0.18μm 1P6M工艺和全定制设计方法，按照金属走线“一纵二横”、匹配性原则、数字和模拟电路抗干扰性原则、空间复用性原则，完成小像元单元电路、列级信号处理电路、输出缓冲器等敏感模拟模块和阵列电路绘制。受到5μm像元中心距影响，采用奇偶双端输出方式。在读出电路系统层面，采用条带电源网格结构进行布局布线，缓解电源跌落现象。 本文的研究成果适用于InGaAs短波红外焦平面阵列，为后续更小像元中心距、更大规模和更高性能的读出电路设计提供理论基础与实践经验。对发展新一代高密度、高分辨率以及高灵敏度的InGaAs短波红外焦平面器件具有实际工程应用价值。