紅外線陣探測器篩選電路的設計與研究

李聞先 劉棟斌 李哲

【摘要】為保證航天任務中短波紅外線陣探測（SWIR）的可靠性與穩定性，本文針對Xenics公司的商用短波紅外線陣探測器，設計了可同時進行10片探測器老煉的篩選測試系統電路。采用老煉前測試參數，老練過程中記錄感光數據及老練后參數測試比對的方法篩選剔除出不合格器件。通過演示樣機在暗室環境下對積分球亮度的調節進行探測器的感光參數測試，試驗結果表明，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計方法對其他航天任務中的低等級器件篩選也具有一定的參考價值。

【關鍵詞】紅外線陣探測器;老煉篩選;成像系統

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

Li Wenxian，Liu Dongbin，Li Zhe

（Changchun Institute of Optics，Fine 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圍內變化，在常溫下便可工作，且探測性能優良，短波紅外傳感器在空間對地探測，如了解資源分布、土壤水分監測、大氣成分分析、農作物估產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的探測應用需求[1，2]。然而航天任務對電子元器件的質量等級要求很高，器件的溫度特性、真空特性、抗輻照特性等均要滿足系統要求，然而由于元器件的采購渠道、采購周期、經費限制等因素，通常會采用低等級器件來代替高等級器件，為滿足航天環境下的應用要求，需對低等級器件進行可靠性篩選，剔除有缺陷或潛在缺陷的器件。Xenics公司的商業級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、寬動態范圍、高的數據傳輸率、以及低噪聲等優點，故適合用于在空間光電探測領域。本文針對該款商業級探測器，研究并設計了老煉篩選電路，并對測試結果進行了分析。

2.電路設計

2.1 紅外探測器篩選電路系統的組成

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、存儲數字圖像信號。其主要組成部分有電源驅動單元、時序控制單元、A/D轉換單元、視頻處理單元及數據傳輸單元組成，如圖1所示。

圖1 紅外探測器篩選電路系統框圖

如圖1所示，計算機（PC）為系統的總控制器，通過串行總線向內部控制器發送指令和相關工作參數，內部控制器向探測器發送時序控制指令滿足探測器的工作條件;十片探測器輸出信號放大后送至模擬開關處，內部控制器按總控制器指令將某一路信號送入A/D進行數字采集并經過FPGA處理后經計算機采集卡獲得圖像。由于探測器管腳經多次插拔后容易變形，影響探測器的壽命。因此，本系統采用3M公司生產的無應力插座與電路板進行焊接。該插座具有耐高溫、可靠性高、無應力等特點，完全滿足老煉篩選的測試要求。

2.2 紅外探測器驅動及放大電路

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

（1）InGaAs光電二極管將入射光能量轉換為電荷累積;（2）將探測器的電流信號轉換成電壓信號（CVC），同時保證整個積分階段電壓值恒定;（3）相關雙采樣階段（CDS）即在一個周期內補償CVC過程中的信號偏移及消除復位噪聲;（4）將采樣信號經差分驅動單元轉換為差分信號輸出。探測器主要參數如表1所示。

表1 探測器主要參數

參數 典型值

像元數 1×2048

像元尺寸 12.5μm×12.5μm

響應波長 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種驅動信號，分別為CMAD0～CMAD3讀出電路指令、地址、數據控制信號;CSTop、CSBot，兩路讀出電路片選信號;MCLK控制時鐘信號以及RS復位信號。驅動信號可直接有FPGA輸出信號控制，不需要任何的電平轉換過程。輸出信號為兩路讀出電路產生的差分信號，差分信號每路信號的幅值為1.25V，需要經運算放大器放大1.3倍左右后，經A/D量化編碼為12位數據。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

視頻處理單元由數據選擇單元與模數轉換單元組成，完成了多路信號的切換以及采樣模擬信號量化編碼為數字信號的作用。本老煉篩選系統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，為完成從十組信號中選擇一組信號，本設計選用4片具有16通道的多路模擬開關ADG526完成信號切換功能。電路中將每片探測器的4路信號分別接入4片模擬開關的同一輸入端口，由FPGA發出切換指令，從而完成了信號的采集功能。

圖3 模擬開關切換電路原理圖

為匹配模擬前端四路差分信號并進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、高精度的模數轉換芯片THS1206進行數模轉換，該芯片基于流水線結構，其差模輸入共模電壓為2.5V，差模范圍為-2V-2V。

圖4 A/D轉換單元原理圖

設計中主要考慮以下問題：

1）根據THS1206的輸入范圍，如2.2節所屬將探測器輸出信號放大1.3倍后送至A/D模塊，進行模數轉換。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RC濾波網絡后再輸入到THS1206。

2）根據模數轉換器數據手冊描述，模擬信號被采樣后需9.5個采樣時鐘周期后輸出對應的數據，這是由于THS1206有5個時鐘周期的流水線延遲，因此在FPGA讀取轉換后的數據進行數據處理時，需考慮該5個時鐘延遲，以確保讀到穩定有效的數據。

3）A/D轉換器在整個電路系統中應看作模擬器件，模擬信號的電壓和電流都隨時間連續變化，而整個系統中又存在著大量的數字信號，數字信號的上升下降沿包含高頻成分容易對模擬信號產生干擾。因此要對數字地與模擬地進行明確劃分，同時數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.實驗過程與結果分析

3.1 實驗過程

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

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。

3）老煉過程：將整個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。試驗過程中監測電源電壓及電流，并實時記錄圖像數據，測試系統及數據采集與存儲界面如圖5所示。

4）常溫檢測：試驗結束后，常溫條件下對整個篩選系統進行電性能測試。

圖5 數據采集與存儲界面

3.2 探測器性能檢測及結果分析

高溫老煉篩選前后需要對探測器進行性能測試，測試系統由紅外演示樣機、積分球、地物波譜儀組成。將探測器對準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，通過調整積分球的不同亮度等級，可以得到探測器DN值與光照度值之間的關系。本文從14片探測器中隨機挑出一片探測器對老煉前后的測試結果進行分析。根據圖6分析可知，老煉后探測器的線性度稍稍有所提高，響應度基本一致。

圖6 老煉前后光亮度與探測器灰度值曲線

4.結論

本文根據紅外線陣探測器的性能設計了一套用于民用紅外探測器老煉篩選從而進行航天應用的老煉測試板，該系統可一次性測試10片探測器，通過對控制脈沖信號的位置、頻率、相位的仔細調試，得到了較好的響應度，得到了積分時間、增益、起始像元可調的數字圖像。通過篩選前后對比結果顯示，篩選后探測器可用于航天應用項目。

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基金項目：“863”計劃重大項目（2011AA12A103）。

作者簡介：

李聞先（1987—），男，黑龍江哈爾濱人，碩士，研究實習員，主要從事空間光學探測方面的研究。

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

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