256×1長波紅外焦平面器件低噪聲信息獲取電路研制

姜 婷，王淦泉，席紅霞

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256×1長波紅外焦平面器件低噪聲信息獲取電路研制

姜 婷1,2，王淦泉1，席紅霞1

（1. 中科院上海技術(shù)物理研究所，上海 200083；2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

針對256×1長波紅外焦平面器件工作原理和輸出信號特點(diǎn)，從低噪聲需求角度出發(fā)，闡述了長波紅外焦平面器件信息獲取電路設(shè)計(jì)過程。著重分析、并解決了信息獲取電路如何降低硬件電路噪聲問題，同時(shí)對硬件電路的噪聲來源進(jìn)行了分析與建模。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，信息獲取電路正常工作，整個(gè)信息獲取電路的輸入均方根噪聲為0.13mV，具有良好的噪聲特性。

256×1；長波紅外；信息獲取電路；低噪聲

0 引言

紅外成像系統(tǒng)在航天、氣象、醫(yī)學(xué)、工業(yè)、安全等各個(gè)領(lǐng)域中有著廣泛的需求，而長波紅外成像技術(shù)對地和太空觀測已經(jīng)成為一個(gè)重要的發(fā)展方向[1-2]。長波紅外探測器是長波紅外成像系統(tǒng)中核心的部件之一。為了獲得高質(zhì)量的圖像，需要選擇高性能的紅外探測器，研制與之匹配低噪聲長波紅外探測器信息獲取電路也是十分重要的。

本文結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用，分析了信息獲取電路噪聲來源，給出了一款長波紅外焦平面器件信息獲取電路低噪聲設(shè)計(jì)方案和軟硬件實(shí)現(xiàn)。經(jīng)驗(yàn)證，電路具有良好的噪聲性能。

1 256×1長波紅外焦平面器件信息獲取系統(tǒng)概述

紅外圖像輻射通過光學(xué)系統(tǒng)耦合到碲鎘汞焦平面器件上，由信息獲取電路模塊產(chǎn)生焦平面器件所需的偏置電壓和數(shù)字脈沖信號，驅(qū)動焦平面器件輸出模擬電壓信號。輸出的模擬信號經(jīng)過信息獲取電路完成信號處理，傳至上位機(jī)得到數(shù)字圖像數(shù)據(jù)。長波紅外焦平面器件由紅外探測器和讀出電路通過銦柱間接倒焊而成，像元成兩行品字形排列[3]，如圖1所示。長波紅外探測器采用了碲鎘汞薄膜材料，讀出電路采用對輸入阻抗不敏感的電容跨導(dǎo)放大器（CTIA）作為輸入級，如圖2所示。讀出電路對碲鎘汞光敏元探測陣列的信號進(jìn)行積分、存儲、轉(zhuǎn)換，輸出模擬電壓信號。同時(shí)為了降低探測器輸出復(fù)位噪聲，采用了相關(guān)雙采樣設(shè)計(jì)[4]。在低溫下，焦平面器件采用快照工作模式，奇偶行像元同時(shí)曝光，輸出奇偶兩路信號，每一路像元通過相關(guān)雙采樣可以得到目標(biāo)信號和暗背景信號。焦平面器件所需的驅(qū)動脈沖時(shí)序如圖3所示，讀出速率為0.5MHz。本文中采用的長波紅外焦平面器件讀出噪聲達(dá)到了0.8mV，這給設(shè)計(jì)與之匹配的信息獲取電路帶來了不小的挑戰(zhàn)。

圖1 256×1長波紅外焦平面器件光敏元排列

圖2 焦平面器件讀出電路意圖

圖3 焦平面器件驅(qū)動時(shí)序示意圖

2 信息獲取電路設(shè)計(jì)

如圖4所示，方框內(nèi)為信息獲取電路結(jié)構(gòu)，主要包括信號調(diào)理電路模塊、FPGA模塊、USB模塊以及電源模塊。紅外輻射通過光學(xué)系統(tǒng)耦合到碲鎘汞焦平面器件，焦平面器件由電源模塊給其提供所需的偏置電壓，同時(shí)由FPGA產(chǎn)生驅(qū)動脈沖，驅(qū)動焦平面器件讀出電路完成光電轉(zhuǎn)換輸出模擬電壓信號。模擬信號經(jīng)過放大、濾波和AD轉(zhuǎn)換得到圖像處理所需數(shù)字信號。FPGA完成圖像數(shù)據(jù)處理，生成基本的原始數(shù)據(jù)包，通過USB傳至上位機(jī)。

圖4 信息獲取電路結(jié)構(gòu)

2.1 焦平面器件偏置電路及驅(qū)動程序設(shè)計(jì)

256×1長波紅外焦平面器件需要提供3種偏置電壓并在一定范圍內(nèi)可調(diào)。設(shè)計(jì)中選用低噪聲精密參考電壓源LT1021，其噪聲電壓RMS值為2.2mV（10Hz≤≤1kHz），并通過外接可調(diào)變阻器調(diào)節(jié)到偏置電壓典型值。

FPGA產(chǎn)生數(shù)字脈沖信號，驅(qū)動焦平面器件奇偶像元同時(shí)積分讀出。圖5為驅(qū)動信號時(shí)序仿真波形，mpu_clk為主時(shí)鐘信號；mpu_start為讀出起始信號；mpu_rst為復(fù)位信號，低電平復(fù)位，高電平積分電容開始工作；mpu_sha為信號采樣脈沖；mpu_shd為參考信號采樣脈沖。

2.2 信號調(diào)理電路設(shè)計(jì)

信號調(diào)理電路包括差分放大、濾波、單端轉(zhuǎn)差分和AD轉(zhuǎn)換模塊。模擬信號經(jīng)過差分放大電路去除暗背景噪聲和共模噪聲，然后經(jīng)過濾波和單端轉(zhuǎn)差分電路進(jìn)入ADC得到數(shù)字信號。

焦平面器件輸出信號擺幅約為2V，動態(tài)范圍不小于60dB，讀出速率為0.5MHz。為保證輸出的模擬信號不失真，電路帶寬應(yīng)至少為讀出頻率的3～5倍，故電路帶寬設(shè)計(jì)為3MHz。

由于焦平面器件的驅(qū)動能力有限，故第一級調(diào)理電路需要較高的輸入阻抗。設(shè)計(jì)中放大電路和濾波模塊都選用低噪聲高速運(yùn)算放大器，主要參數(shù)為：低輸入噪聲1.6nV/Hz1/2，高輸入阻抗2MW，電源抑制比95dB，275MHz單位增益帶寬，壓擺率100V/ms。運(yùn)放的頻率上限由增益帶寬積和轉(zhuǎn)換速率SR決定，當(dāng)增益設(shè)為2倍時(shí)，THS4031的上限頻率為100MHz，因而信號可以被無失真地線性放大。當(dāng)振幅為p的信號通過放大器，其最大頻率m與運(yùn)放的轉(zhuǎn)換速率應(yīng)滿足如下關(guān)系：SR≥2π×m×p。 焦平面器件輸出信號擺幅為2V，頻率約為3MHz，2π×m×p＝37.68V/ms≤100V/ms。因此運(yùn)放THS4031的這些特性使得信號能夠快速、低噪、低失真地通過信號調(diào)理電路。

圖5 時(shí)序仿真波形

Fig.5 Simulating timing wave

對于正弦波輸入信號，ADC的理論信噪比SNR＝(6.02＋1.76)dB，其中為有效位數(shù)。因而為了提高信噪比，設(shè)計(jì)中ADC選用美國ADI公司的一款高精度16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7626。該芯片最高轉(zhuǎn)換速率為10MSPS，動態(tài)范圍可達(dá)91.5dB，最小分辨率LSB為0.125mV，量化噪聲為LSB/121/2＝0.035mV，差分非線性誤差為±0.35LSB。且AD7626的所有的轉(zhuǎn)換結(jié)果通過一個(gè)LVDS自時(shí)鐘串行接口即可獲得，從而減少了外部硬件連接。

差分放大電路采用由三運(yùn)放組成的儀表放大電路[5]，如圖6所示。第一級由兩個(gè)同相放大器組成，電路增益可以通過調(diào)節(jié)g的大小來控制。信號調(diào)理電路的設(shè)計(jì)中考慮到電阻會引入熱噪聲，其熱噪聲的電壓譜密度函數(shù)為：

式中：＝1.38×10－23J/K，為波爾茲曼常數(shù)；為以開爾文表示的工作溫度；為電阻值；為帶寬。由于電阻熱噪聲電壓值與電阻阻值的平方跟成正比，因此不宜采用過大阻抗的電阻，同時(shí)為了保證電路的對稱性，本電路中1～8阻值均設(shè)為1K，其熱噪聲約為4.1nV/Hz1/2。

濾波器的階數(shù)越高，截止頻率特性越好，但電路的穩(wěn)定性也越差。綜合考慮，電路采用四階具有最大通帶平坦度的巴特沃斯低通有源濾波器，如圖7所示，由兩個(gè)二階Sallen_Key型低通濾波器級聯(lián)而成。圖8為濾波器電路經(jīng)過Pspice模型仿真的四階濾波幅頻響應(yīng)[6]。

2.3 電源模塊設(shè)計(jì)

電源模塊的設(shè)計(jì)對電路的噪聲有一定的影響，設(shè)計(jì)中重點(diǎn)考慮各個(gè)模塊的供電需求，由電平大小、紋波水平v和驅(qū)動能力三個(gè)指標(biāo)共同來表征一個(gè)模塊的電源需求。對于不同的模塊其供電需求如表1所示。由于普通的開關(guān)電源噪聲比較大，故設(shè)計(jì)中均選用線性穩(wěn)壓源完成電平轉(zhuǎn)換。電源分為模擬和數(shù)字兩大類，每一個(gè)電源模芯片都利用了去耦電容對其進(jìn)行去耦，并利用磁珠抑制電源線上的高頻噪聲和尖峰干擾，吸收靜電脈沖。

2.4 PCB設(shè)計(jì)

對于一個(gè)模數(shù)混合的PCB，其合理的布局布線尤為重要。為減小PCB板引入的噪聲，在設(shè)計(jì)PCB時(shí)，按電路模塊進(jìn)行布局如圖9所示。電路模塊中的元件采用了就近集中原則，同時(shí)數(shù)字電路和模擬電路分開形成獨(dú)立模塊，模擬部分的布線盡量短。每層地分割為模擬地和數(shù)字地，并用電感和磁珠相連，以阻隔數(shù)字地上噪聲竄到模擬地上。電源層也按模擬部分和數(shù)字部分分割為模擬電源和數(shù)字電源。在布線時(shí)采用了8層疊層設(shè)計(jì)，有4層覆銅屏蔽層，并形成兩層最佳布線層，大大降低了信號干擾。

圖6 儀表放大器電路

圖7 四階濾波電路

表1 各模塊電平需求

圖8 濾波器的幅頻響應(yīng)

圖9 PCB布局框圖

3 信息獲取電路的噪聲分析

信息獲取電路的噪聲來源主要包括電磁干擾噪聲、模擬調(diào)理電路噪聲、電源噪聲以及ADC噪聲等。其中電磁干擾噪聲主要是由PCB板和電纜引起的，PCB板的噪聲在PCB設(shè)計(jì)理論支持下會得到較好的抑制。為了減小電纜噪聲對信號的影響，采用了對絞結(jié)構(gòu)型的電纜，并將內(nèi)層屏蔽接至模擬地，外層總屏蔽同探測器外殼相連。

信號調(diào)理電路中，運(yùn)放和電阻本身都是非理想器件，運(yùn)算放大器的噪聲主要包括正負(fù)端的等效輸入電流噪聲及兩端之間的等效輸入電壓噪聲，而電阻在電流流過時(shí)也是不可避免的會產(chǎn)生熱噪聲。

(a) 運(yùn)放噪聲模型 (b) 電阻噪聲模型

模擬調(diào)理電路的噪聲總體等效模型可以按照信號流分為4個(gè)模塊如圖11虛線表示。其中第一個(gè)模塊為信息獲取電路的模擬輸入部分，主要完成共模抑制和信號放大；第二個(gè)模塊為差分減法電路，消除焦平面器件相關(guān)雙采樣過程中的暗信號；第三模塊是濾波電路，濾除高頻噪聲；第四模塊為單端轉(zhuǎn)差分電路，以滿足ADC差分輸入需求。因而可以得到4部分的等效噪聲分別為[8]：

(5)

Fig.11 Analog conditioning circuit noise model

因此可以得到模擬調(diào)理電路總體等效輸入輸出噪聲為：

式中：h為運(yùn)放高頻電流白噪聲譜密度；h為運(yùn)放高頻電壓噪聲譜密度；H為電路截止頻率；L為分析所選擇的最低頻率值；ic和ec分別是運(yùn)放電流和電壓噪聲的頻譜轉(zhuǎn)角頻率點(diǎn)；為電路噪聲等效帶寬；為電路工作時(shí)的溫度；為噪聲增益，其余的為對應(yīng)的具體電阻值。調(diào)理電路中1～8阻值均為1kW，因此可以代入運(yùn)放THS4031、ADA48991、AD8056的相關(guān)參數(shù)及相應(yīng)電阻值如下：

＝3MHz，g＝4kW，9＝9.74kW，10＝4.1kW，

12＝100，13＝20，11＝14＝15＝590，

16＝50，17＝20，H＝3MHz，L＝10Hz

可以計(jì)算出此時(shí)的模擬調(diào)理電路等效輸入噪聲為：0.092mV，遠(yuǎn)小于焦平面器件讀出噪聲。

AD轉(zhuǎn)換過程中量化噪聲是不可避免的，AD7626的最小量化分辨率LSB為0.125mV，引入的量化噪聲為0.035mV，遠(yuǎn)小于焦平面器件讀出噪聲。

綜上可以計(jì)算得出信息獲取電路的等效輸入噪聲為：

小于焦平面器件讀出噪聲。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了測試所設(shè)計(jì)信息獲取電路的噪聲性能，在不加探測器的情況下，對整個(gè)信息獲取電路的噪聲進(jìn)行了測試。測試方法為：將信息獲取電路的最前端即儀表放大電路的負(fù)向輸入端接地，利用電源模塊中的穩(wěn)壓源輸出接入儀表放大電路的正向輸入端。采集經(jīng)信息獲取電路處理后的數(shù)據(jù)，利用Matlab對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析如圖12所示，計(jì)算出其標(biāo)準(zhǔn)差即為整個(gè)信息獲取電路的噪聲。經(jīng)過計(jì)算，整個(gè)信息獲取電路的輸出均方根噪聲為2.1個(gè)LSB，換算為電壓值為2.1×0.125＝0.26mV，因而可以得到等效輸入噪聲電壓為0.13mV。這說明信息獲取電路的本身引入的噪聲比較小，且與理論分析值相近，并遠(yuǎn)小于焦平面器件讀出噪聲。

圖12 信息獲取電路輸出電壓采樣值分布

5 結(jié)論

信息獲取電路的噪聲性能決定了該電路是否適用于焦平面器件的需求。本文針對256×1長波紅外焦平面器件，從低噪聲需求角度出發(fā)，闡述了低噪聲設(shè)計(jì)思路和過程，同時(shí)對信息獲取電路的噪聲來源進(jìn)行了分析與建模。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的信息獲取電路輸入均方根噪聲值與理論模型分析相近為0.13mV，具有良好的低噪聲特性，滿足了與長波紅外焦平面器件的匹配要求。

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Design of the Low-noise Information Acquisition Circuit for 256×1 LWIR FPA

JIANG Ting1,2，WANG Ganquan1，XI Hongxia1

(1.,,200083,; 2.,100049,)

According to 256×1 long-wave infrared focal plane array detector working principle and characteristics of the output signal, this paper elaborates LWIR detector information acquisition circuit design process from the perspective of low noise. The emphasis is to solve the problem of how to reduce the noise of the hardware circuit, and an accurate noise model is established. The experimental results show that the information acquisition circuit is in normal operation and the input noise of the whole circuit is 0.13mV, which has good noise characteristics.

256×1，long-wavelength infrared，information acquisition circuit，low noise

TN215

A

1001-8891(2016)05-0378-06

2015-12-10；

2016-03-01.

姜婷（1989-），女，江西上饒市人，碩士生，主要從事紅外焦平面器件讀出后處理技術(shù)方面的研究。E-mail：jiangting_sitp@163.com。