紅外線陣探測器篩選電路的設(shè)計(jì)與研究

李聞先 劉棟斌 李哲

【摘要】為保證航天任務(wù)中短波紅外線陣探測（SWIR）的可靠性與穩(wěn)定性，本文針對(duì)Xenics公司的商用短波紅外線陣探測器，設(shè)計(jì)了可同時(shí)進(jìn)行10片探測器老煉的篩選測試系統(tǒng)電路。采用老煉前測試參數(shù)，老練過程中記錄感光數(shù)據(jù)及老練后參數(shù)測試比對(duì)的方法篩選剔除出不合格器件。通過演示樣機(jī)在暗室環(huán)境下對(duì)積分球亮度的調(diào)節(jié)進(jìn)行探測器的感光參數(shù)測試，試驗(yàn)結(jié)果表明，器件完全滿足可靠性篩選方法的要求。本文中篩選電路的設(shè)計(jì)方法對(duì)其他航天任務(wù)中的低等級(jí)器件篩選也具有一定的參考價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】紅外線陣探測器;老煉篩選;成像系統(tǒng)

Design and Research of Screening Circuit for Short Wavelength Infrared Linear Detector

Li Wenxian，Liu Dongbin，Li Zhe

（Changchun Institute of Optics，F(xiàn)ine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun，Jilin 130033，China）

Abstract：In order to make ensure the reliability and stability of short wave infrared detector in space mission，in this paper a test system which can screen 10 devices manufactured ?by Xenics simultaneously was designed.To find out unqualified devices，three steps are carried out， consisting of parameters test before burn-in process，photosensitive property test during the burn-in process and parameters test after burn-in process.The parameters test are carried out by adjusting the brightness of integrating sphere in darkroom，and the shows the devices meet the requirements of reliability screening method.The design of screening circuit has a certain value for screening other low-level devices in other space missions.

Key word：Infrared Linear Array Detector;Ageing and Screening;Imaging System

1.引言

InGaAs探測器的截止波長可在0.8～3.5μm圍內(nèi)變化，在常溫下便可工作，且探測性能優(yōu)良，短波紅外傳感器在空間對(duì)地探測，如了解資源分布、土壤水分監(jiān)測、大氣成分分析、農(nóng)作物估產(chǎn)等方面有著重要的作用，可以在很大程度上滿足空間遙感儀器在短波紅外范圍內(nèi)的探測應(yīng)用需求[1，2]。然而航天任務(wù)對(duì)電子元器件的質(zhì)量等級(jí)要求很高，器件的溫度特性、真空特性、抗輻照特性等均要滿足系統(tǒng)要求，然而由于元器件的采購渠道、采購周期、經(jīng)費(fèi)限制等因素，通常會(huì)采用低等級(jí)器件來代替高等級(jí)器件，為滿足航天環(huán)境下的應(yīng)用要求，需對(duì)低等級(jí)器件進(jìn)行可靠性篩選，剔除有缺陷或潛在缺陷的器件。Xenics公司的商業(yè)級(jí)線陣短波紅外探測器在低光照條件下具有高敏感度、高量子效率、寬動(dòng)態(tài)范圍、高的數(shù)據(jù)傳輸率、以及低噪聲等優(yōu)點(diǎn)，故適合用于在空間光電探測領(lǐng)域。本文針對(duì)該款商業(yè)級(jí)探測器，研究并設(shè)計(jì)了老煉篩選電路，并對(duì)測試結(jié)果進(jìn)行了分析。

2.電路設(shè)計(jì)

2.1 紅外探測器篩選電路系統(tǒng)的組成

紅外探測器篩選電路主要完成從多片短波紅外探測器中采集、處理、存儲(chǔ)數(shù)字圖像信號(hào)。其主要組成部分有電源驅(qū)動(dòng)單元、時(shí)序控制單元、A/D轉(zhuǎn)換單元、視頻處理單元及數(shù)據(jù)傳輸單元組成，如圖1所示。

圖1 紅外探測器篩選電路系統(tǒng)框圖

如圖1所示，計(jì)算機(jī)（PC）為系統(tǒng)的總控制器，通過串行總線向內(nèi)部控制器發(fā)送指令和相關(guān)工作參數(shù)，內(nèi)部控制器向探測器發(fā)送時(shí)序控制指令滿足探測器的工作條件;十片探測器輸出信號(hào)放大后送至模擬開關(guān)處，內(nèi)部控制器按總控制器指令將某一路信號(hào)送入A/D進(jìn)行數(shù)字采集并經(jīng)過FPGA處理后經(jīng)計(jì)算機(jī)采集卡獲得圖像。由于探測器管腳經(jīng)多次插拔后容易變形，影響探測器的壽命。因此，本系統(tǒng)采用3M公司生產(chǎn)的無應(yīng)力插座與電路板進(jìn)行焊接。該插座具有耐高溫、可靠性高、無應(yīng)力等特點(diǎn)，完全滿足老煉篩選的測試要求。

2.2 紅外探測器驅(qū)動(dòng)及放大電路

本文用到的探測器是Xenics公司生產(chǎn)的線陣短波紅外探測器，它具有2048個(gè)像元。它內(nèi)部具有兩路讀出電路，其中奇數(shù)像元與一路讀出電路讀出相連，偶數(shù)像元與另一路相連。讀出電路的工作過程主要分四個(gè)階段：

（1）InGaAs光電二極管將入射光能量轉(zhuǎn)換為電荷累積;（2）將探測器的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)（CVC），同時(shí)保證整個(gè)積分階段電壓值恒定;（3）相關(guān)雙采樣階段（CDS）即在一個(gè)周期內(nèi)補(bǔ)償CVC過程中的信號(hào)偏移及消除復(fù)位噪聲;（4）將采樣信號(hào)經(jīng)差分驅(qū)動(dòng)單元轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)輸出。探測器主要參數(shù)如表1所示。

表1 探測器主要參數(shù)

參數(shù) 典型值

像元數(shù) 1×2048

像元尺寸 12.5μm×12.5μm

響應(yīng)波長 0.9～1.7μm

積分電容 5～830fF

量子效率 80%

暗噪聲 0.9～30mV

暗電流 0.5pA

探測器工作需要8種驅(qū)動(dòng)信號(hào)，分別為CMAD0～CMAD3讀出電路指令、地址、數(shù)據(jù)控制信號(hào);CSTop、CSBot，兩路讀出電路片選信號(hào);MCLK控制時(shí)鐘信號(hào)以及RS復(fù)位信號(hào)。驅(qū)動(dòng)信號(hào)可直接有FPGA輸出信號(hào)控制，不需要任何的電平轉(zhuǎn)換過程。輸出信號(hào)為兩路讀出電路產(chǎn)生的差分信號(hào)，差分信號(hào)每路信號(hào)的幅值為1.25V，需要經(jīng)運(yùn)算放大器放大1.3倍左右后，經(jīng)A/D量化編碼為12位數(shù)據(jù)。放大電路如圖2所示。

圖2 探測器輸出放大電路

2.3 視頻處理單元

視頻處理單元由數(shù)據(jù)選擇單元與模數(shù)轉(zhuǎn)換單元組成，完成了多路信號(hào)的切換以及采樣模擬信號(hào)量化編碼為數(shù)字信號(hào)的作用。本老煉篩選系統(tǒng)包含十片短波紅外探測器，而每片探測器的輸出包含4路信號(hào)即Det_OutTop_P、Det_OutTop_N、Det_OutBot_P、Det_OutBot_N。如圖3所示，為完成從十組信號(hào)中選擇一組信號(hào)，本設(shè)計(jì)選用4片具有16通道的多路模擬開關(guān)ADG526完成信號(hào)切換功能。電路中將每片探測器的4路信號(hào)分別接入4片模擬開關(guān)的同一輸入端口，由FPGA發(fā)出切換指令，從而完成了信號(hào)的采集功能。

圖3 模擬開關(guān)切換電路原理圖

為匹配模擬前端四路差分信號(hào)并進(jìn)一步抑制共模干擾和噪聲[3]，本電路中選用了具有雙差分輸入的12位高速率、高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片THS1206進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，該芯片基于流水線結(jié)構(gòu)，其差模輸入共模電壓為2.5V，差模范圍為-2V-2V。

圖4 A/D轉(zhuǎn)換單元原理圖

設(shè)計(jì)中主要考慮以下問題：

1）根據(jù)THS1206的輸入范圍，如2.2節(jié)所屬將探測器輸出信號(hào)放大1.3倍后送至A/D模塊，進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。此外，為了抑制輸入端的高頻噪聲和限制瞬變電流，差分電路輸出經(jīng)RC濾波網(wǎng)絡(luò)后再輸入到THS1206。

2）根據(jù)模數(shù)轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)手冊(cè)描述，模擬信號(hào)被采樣后需9.5個(gè)采樣時(shí)鐘周期后輸出對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，這是由于THS1206有5個(gè)時(shí)鐘周期的流水線延遲，因此在FPGA讀取轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，需考慮該5個(gè)時(shí)鐘延遲，以確保讀到穩(wěn)定有效的數(shù)據(jù)。

3）A/D轉(zhuǎn)換器在整個(gè)電路系統(tǒng)中應(yīng)看作模擬器件，模擬信號(hào)的電壓和電流都隨時(shí)間連續(xù)變化，而整個(gè)系統(tǒng)中又存在著大量的數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)的上升下降沿包含高頻成分容易對(duì)模擬信號(hào)產(chǎn)生干擾。因此要對(duì)數(shù)字地與模擬地進(jìn)行明確劃分，同時(shí)數(shù)字地與模擬地之間通過磁珠相連，消除二者間的傳到回路。

3.實(shí)驗(yàn)過程與結(jié)果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)過程

1）初始檢測：常溫條件下對(duì)探測器及電路板進(jìn)行外觀檢測，若完好則進(jìn)行電路板電性能檢測，最后將探測器安裝到電路板的無應(yīng)力插座上進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的電性能測試。

2）常溫檢測：在常溫條件下，將探測器與篩選板連接完好，使其正常工作6小時(shí)。

3）老煉過程：將整個(gè)老煉篩選板放入高低溫箱中，將溫度以不高于5℃/min的速率將溫度從室溫升至80℃，在80℃溫度下帶電工作96小時(shí)。試驗(yàn)過程中監(jiān)測電源電壓及電流，并實(shí)時(shí)記錄圖像數(shù)據(jù)，測試系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)界面如圖5所示。

4）常溫檢測：試驗(yàn)結(jié)束后，常溫條件下對(duì)整個(gè)篩選系統(tǒng)進(jìn)行電性能測試。

圖5 數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)界面

3.2 探測器性能檢測及結(jié)果分析

高溫老煉篩選前后需要對(duì)探測器進(jìn)行性能測試，測試系統(tǒng)由紅外演示樣機(jī)、積分球、地物波譜儀組成。將探測器對(duì)準(zhǔn)積分球的開口處且感光面平行于出光口平面，利用地物波譜儀測量不同譜段的光照度值，通過調(diào)整積分球的不同亮度等級(jí)，可以得到探測器DN值與光照度值之間的關(guān)系。本文從14片探測器中隨機(jī)挑出一片探測器對(duì)老煉前后的測試結(jié)果進(jìn)行分析。根據(jù)圖6分析可知，老煉后探測器的線性度稍稍有所提高，響應(yīng)度基本一致。

圖6 老煉前后光亮度與探測器灰度值曲線

4.結(jié)論

本文根據(jù)紅外線陣探測器的性能設(shè)計(jì)了一套用于民用紅外探測器老煉篩選從而進(jìn)行航天應(yīng)用的老煉測試板，該系統(tǒng)可一次性測試10片探測器，通過對(duì)控制脈沖信號(hào)的位置、頻率、相位的仔細(xì)調(diào)試，得到了較好的響應(yīng)度，得到了積分時(shí)間、增益、起始像元可調(diào)的數(shù)字圖像。通過篩選前后對(duì)比結(jié)果顯示，篩選后探測器可用于航天應(yīng)用項(xiàng)目。

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作者簡介：

李聞先（1987—），男，黑龍江哈爾濱人，碩士，研究實(shí)習(xí)員，主要從事空間光學(xué)探測方面的研究。

劉棟斌（1968—），男，吉林長春人，博士，研究員，主要從事空間光學(xué)成像系統(tǒng)方面的研究。

李哲（1984—），男，黑龍江齊齊哈爾人，碩士，助理研究員，主要從事空間光學(xué)成像技術(shù)方面的研究。