一種紅外焦平面探測(cè)器驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李 娟，李進(jìn)武，劉澤巍，石 綱，孫玉杰

(華北光電技術(shù)研究所，北京100015)

1 引言

隨著紅外技術(shù)的發(fā)展，紅外焦平面探測(cè)器的應(yīng)用變得越來(lái)越廣泛。不同應(yīng)用背景條件下，需研制性能與之相匹配的探測(cè)器。紅外焦平面探測(cè)器的篩選，需要專用的測(cè)試系統(tǒng)，圖1給出了紅外焦平面測(cè)試系統(tǒng)框圖。驅(qū)動(dòng)電路作為測(cè)試系統(tǒng)中的一個(gè)基礎(chǔ)模塊，在整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用。它為探測(cè)器提供所需的偏置電壓和時(shí)序邏輯信號(hào)，同時(shí)接收探測(cè)器的輸出，傳輸?shù)叫盘?hào)采集系統(tǒng)，并為采集系統(tǒng)提供同步信號(hào)。紅外焦平面探測(cè)器小體積、輕型化、低功耗(SWaP)的需求使得對(duì)于驅(qū)動(dòng)電路的要求進(jìn)一步增加，驅(qū)動(dòng)電路在能夠提供基本信號(hào)的情況下，要求穩(wěn)定性高、體積小、重量輕、易操作等。針對(duì)原有驅(qū)動(dòng)電路噪聲高、通用性及可控性低的缺陷，設(shè)計(jì)了一款新的紅外焦平面探測(cè)器驅(qū)動(dòng)電路，能夠滿足單路、雙路、四路、八路、十六路輸出的多路輸出探測(cè)器使用，并且適用于多家公司測(cè)試系統(tǒng)中。

圖1 紅外焦平面測(cè)試系統(tǒng)框圖

2 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

紅外焦平面探測(cè)器芯片由光敏芯片和讀出電路構(gòu)成［1］，讀出電路屬于數(shù)模混合集成電路，其工作需要由外部提供數(shù)字時(shí)序邏輯信號(hào)和偏置電壓。驅(qū)動(dòng)電路不僅能夠提供這些時(shí)序邏輯信號(hào)和偏置電壓，它還將探測(cè)器的輸出信號(hào)進(jìn)行調(diào)理后傳遞給采集卡，由采集卡完成信號(hào)的采集。下面分別從驅(qū)動(dòng)電路的偏置電壓部分、時(shí)序邏輯電路部分、信號(hào)輸出部分三個(gè)方面對(duì)驅(qū)動(dòng)電路作以介紹。

2．1 偏置電壓部分

紅外探測(cè)器陣列一般工作在負(fù)偏壓情況下(零偏也可以)［2］。圖2和圖3給出了兩種典型讀出電路輸入級(jí)電路結(jié)構(gòu)。其中，圖2輸入電路的探測(cè)器偏壓由VDIG和VDET確定，即V反=VDIG－VT－VDET，圖3輸入電路的偏壓為V反=Vref－Vdet，，這樣就可以達(dá)到調(diào)整探測(cè)器偏壓的目的。同時(shí)，電路中其他部分也需要直流偏置，如復(fù)位電壓VRST、放大器內(nèi)部的偏置等等。這些偏置電壓一般都在0 V～VDD之間。

圖2 DI輸入電路

圖3 CTIA輸入電路

驅(qū)動(dòng)電路的偏置電壓產(chǎn)生電路為探測(cè)器提供這些偏置電壓。紅外探測(cè)器需要正常工作，必須提供合適的偏置電壓，這些電壓的精度和噪聲決定了焦平面探測(cè)信號(hào)的精度和噪聲［3］。

偏置電路的設(shè)計(jì)需與配套的測(cè)試系統(tǒng)相結(jié)合，HGH以及PI測(cè)試系統(tǒng)內(nèi)部提供了多路偏置電壓，完全能夠滿足實(shí)際的需求。為了保證輸入探測(cè)器中偏置電壓的穩(wěn)定性，以及降低輸入噪聲、提高帶載能力，設(shè)計(jì)了二階巴特沃思濾波電路與運(yùn)算放大器相結(jié)合的方式。巴特沃思濾波電路相較于一般的單元級(jí)聯(lián)電路，更接近于理想濾波器，具有更好的濾波特性。其電路結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。運(yùn)放芯片選用TL071C芯片，該芯片是具有低噪聲的單位增益運(yùn)算放大器，輸入噪聲電壓為輸入電流1．4 mA，增益帶寬能達(dá)到4．0 MHz。將其與巴特沃思濾波電路相結(jié)合，設(shè)計(jì)成具有單位放大系數(shù)的偏壓跟隨電路，其具體電路結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖4 二階巴特沃思濾波電路

圖5 偏置跟隨電路

設(shè)計(jì)中，考慮到驅(qū)動(dòng)電路的通用性，設(shè)計(jì)了11路偏置輸出，以滿足偏置電壓較多的探測(cè)器應(yīng)用。其中對(duì)于可調(diào)偏壓Gpol，設(shè)計(jì)了兩種可選方案，一種是由測(cè)試系統(tǒng)內(nèi)發(fā)，外接BNC輸入;一種是穩(wěn)定電壓芯片結(jié)合電位器提供。同時(shí)，考慮到系統(tǒng)內(nèi)發(fā)信號(hào)上電不一致的情況，可能會(huì)對(duì)探測(cè)器造成損傷，在每路偏置前加入了繼電器控制。

2．2 時(shí)序邏輯電路部分

以某探測(cè)器正常工作的時(shí)序圖為例，如圖6所示，需要驅(qū)動(dòng)電路的時(shí)序邏輯電路部分為探測(cè)器提供主時(shí)鐘MC和積分時(shí)間控制信號(hào)INT，讀出電路的數(shù)字電路則根據(jù)這兩個(gè)信號(hào)產(chǎn)生探測(cè)器讀出的邏輯時(shí)序，探測(cè)器在此時(shí)序下，完成信號(hào)data的正確讀出。同時(shí)，時(shí)序邏輯部分還需要產(chǎn)生與采集系統(tǒng)互通的同步信號(hào)來(lái)完成探測(cè)器輸出信號(hào)的采集。

圖6 探測(cè)器工作時(shí)序圖

數(shù)字脈沖信號(hào)很容易引入高頻噪聲，設(shè)計(jì)采用了一階低通濾波電路來(lái)濾除高頻噪聲和上升沿過(guò)沖現(xiàn)象?？梢酝ㄟ^(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)R和C的值來(lái)達(dá)到濾除相應(yīng)頻率的噪聲。同時(shí)，考慮到驅(qū)動(dòng)電路通用性的問題，設(shè)計(jì)了兩種不同的脈沖輸入方式:一種是由測(cè)試系統(tǒng)直供式的，采用BNC與驅(qū)動(dòng)電路連接;另一種是外接脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)接板的方式，通過(guò)外部的FPGA或CPLD芯片來(lái)產(chǎn)生所需脈沖。同樣，考慮到系統(tǒng)內(nèi)發(fā)信號(hào)不一致對(duì)探測(cè)器造成損傷，在數(shù)字脈沖部分也增加了繼電器控制。

2．3 信號(hào)輸出部分

探測(cè)器在提供了合適的偏置電壓和數(shù)字脈沖信號(hào)后，在讀出電路的控制下，信號(hào)有規(guī)律的輸出。從探測(cè)器直接輸出的信號(hào)通常在0～5 V范圍，而采集卡內(nèi)AD采集范圍通常為正負(fù)電壓范圍，因此輸出信號(hào)需要經(jīng)過(guò)一定的處理才能與之相匹配，繼而被正確的采集和處理。根據(jù)探測(cè)器的輸出信號(hào)以及采集卡的帶寬分析，設(shè)計(jì)了如圖7所示的信號(hào)輸出運(yùn)放電路。

圖7 信號(hào)輸出運(yùn)放電路

考慮到低噪聲設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)中選用LM6172運(yùn)放芯片，它是具有雙電源供電的雙路運(yùn)算放大器，帶寬能夠達(dá)到100 MHz，輸入電流僅為2．3 mA，功耗低，輸出電流50 mA，具有較高的帶載能力，且噪聲較小。設(shè)計(jì)中，考慮了測(cè)試過(guò)程中不同型號(hào)探測(cè)器對(duì)放大倍數(shù)要求的影響，可以改變R4、R3(R11、R18)的阻值，來(lái)滿足輸入輸出信號(hào)不同正向放大倍數(shù)的要求。R5、R6、R9、R10(R14、R15、R16、R17)是阻抗匹配電阻，用來(lái)實(shí)現(xiàn)與后端采集卡的阻抗匹配，其值可根據(jù)實(shí)際負(fù)載及不同型號(hào)探測(cè)器的輸出來(lái)進(jìn)行選擇。同時(shí)，R5、R6、R9、R10(R14、R15、R16、R17)是具有相同阻值的電阻。該設(shè)計(jì)能夠消除電阻隨機(jī)分布的離散性，使得阻抗匹配更加精確。

同時(shí)，考慮了驅(qū)動(dòng)電路的通用性，設(shè)計(jì)了十六路信號(hào)輸出電路，以滿足不同探測(cè)器輸出通道數(shù)不同的要求。

3 測(cè)試結(jié)果

為了驗(yàn)證該驅(qū)動(dòng)電路的實(shí)際性能，選取同一種陣列規(guī)格為256×256的紅外探測(cè)器，在此驅(qū)動(dòng)電路和另一測(cè)試電路上進(jìn)行了性能測(cè)試，并將測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比較，比較結(jié)果如圖8及表1所示。

圖8 成像對(duì)比圖

表1 測(cè)試結(jié)果對(duì)比圖

從上述測(cè)試結(jié)果可以看出，此電路板輸出圖像與原有驅(qū)動(dòng)電路一致。探測(cè)器的噪聲電壓RMS降低了0．05 mV，平均噪聲等效溫差與平均黑體探測(cè)率均優(yōu)于原有驅(qū)動(dòng)電路，滿足了驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

紅外焦平面陣列的性能與系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)電路、信號(hào)采集處理電路以及圖像處理算法緊密相關(guān)［4－5］。本文設(shè)計(jì)了一款紅外焦平面探測(cè)器驅(qū)動(dòng)電路，整體設(shè)計(jì)滿足低噪聲要求，同時(shí)具有通用性強(qiáng)、可控性高的優(yōu)點(diǎn)。能夠支持單路、雙路、四路、八路、十六路等多種輸出，適用于多種型號(hào)探測(cè)器的使用。目前已用于中波320×256、長(zhǎng)波640×512等型號(hào)探測(cè)器篩選測(cè)試，同時(shí)，它可以在多個(gè)測(cè)試系統(tǒng)中使用?？傊?，此款驅(qū)動(dòng)電路為今后紅外焦平面探測(cè)器篩選提供了良好的測(cè)試保障。

［1］HUANG Zhuangcheng，HUANG Songlei，ZHANG Wei，et al．Design of driving circuit for infrared focal plane array readout circuit［J］．Laser＆Infrared，2011，41(2):220－223．(in Chinese)黃莊成，黃松磊，張偉，等．紅外焦平面讀出電路片上驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)［J］．激光與紅外，2011，41(2):220－223．

［2］ GAN Wenxiang，DING Ruijun．Implementation of Digital－controlled Bias Voltage Circuit on IRFPA［J］．Seniconductor Optoelectronics，2006，27(1):30－33．(in Chinese)甘文祥，丁瑞軍．一種紅外焦平面數(shù)控偏置電壓電路的實(shí)現(xiàn)［J］．半導(dǎo)體光電，2006，27(1):30－33．

［3］ XIN Yongming，JIANG Yadong，LUO Shanyan，et al．A design of acquisition circuit of 640×480 infrared focal plane devices［J］．Infrared Technology，2012，34(1):4－9．(in Chinese)辛勇明，蔣亞東，羅山焱，等．一種640×480紅外焦平面器件采集電路的設(shè)計(jì)［J］．紅外技術(shù)，2012，34(1):4－9．

［4］ ZHANG Pei，ZHU Hongbin，LJian，et al．Design of the low noise uncooled infrared focal plane array driver circuit［J］．Infrared and Laser Engineering，2010，39(5):806－810．(in Chinese)張沛，祝紅斌，呂堅(jiān)，等．低噪聲非制冷紅外焦平面陣列驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)［J］．紅外與激光工程，2010，39(5):806－810．

［5］ ZHU Hongbin，LI Wei，LIU Wei，et al．Design on a lownoise acquisition circuit of infrared focal plane device［J］．Infrared Technology，2013，32(3):165－172．(in Chinese)祝紅斌，李偉，劉子驥，等．一種低噪聲紅外焦平面器件采集電路的設(shè)計(jì)［J］．紅外技術(shù)，2013，32(3):165－172．