一種紅外焦平面探測器驅動電路的設計與實現

李 娟，李進武，劉澤巍，石 綱，孫玉杰

(華北光電技術研究所，北京100015)

1 引言

隨著紅外技術的發展，紅外焦平面探測器的應用變得越來越廣泛。不同應用背景條件下，需研制性能與之相匹配的探測器。紅外焦平面探測器的篩選，需要專用的測試系統，圖1給出了紅外焦平面測試系統框圖。驅動電路作為測試系統中的一個基礎模塊，在整個測試系統中發揮著重要的作用。它為探測器提供所需的偏置電壓和時序邏輯信號，同時接收探測器的輸出，傳輸到信號采集系統，并為采集系統提供同步信號。紅外焦平面探測器小體積、輕型化、低功耗(SWaP)的需求使得對于驅動電路的要求進一步增加，驅動電路在能夠提供基本信號的情況下，要求穩定性高、體積小、重量輕、易操作等。針對原有驅動電路噪聲高、通用性及可控性低的缺陷，設計了一款新的紅外焦平面探測器驅動電路，能夠滿足單路、雙路、四路、八路、十六路輸出的多路輸出探測器使用，并且適用于多家公司測試系統中。

圖1 紅外焦平面測試系統框圖

2 驅動電路設計

紅外焦平面探測器芯片由光敏芯片和讀出電路構成［1］，讀出電路屬于數?；旌霞呻娐?，其工作需要由外部提供數字時序邏輯信號和偏置電壓。驅動電路不僅能夠提供這些時序邏輯信號和偏置電壓，它還將探測器的輸出信號進行調理后傳遞給采集卡，由采集卡完成信號的采集。下面分別從驅動電路的偏置電壓部分、時序邏輯電路部分、信號輸出部分三個方面對驅動電路作以介紹。

2．1 偏置電壓部分

紅外探測器陣列一般工作在負偏壓情況下(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電路結構。其中，圖2輸入電路的探測器偏壓由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，，這樣就可以達到調整探測器偏壓的目的。同時，電路中其他部分也需要直流偏置，如復位電壓VRST、放大器內部的偏置等等。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

驅動電路的偏置電壓產生電路為探測器提供這些偏置電壓。紅外探測器需要正常工作，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信號的精度和噪聲［3］。

偏置電路的設計需與配套的測試系統相結合，HGH以及PI測試系統內部提供了多路偏置電壓，完全能夠滿足實際的需求。為了保證輸入探測器中偏置電壓的穩定性，以及降低輸入噪聲、提高帶載能力，設計了二階巴特沃思濾波電路與運算放大器相結合的方式。巴特沃思濾波電路相較于一般的單元級聯電路，更接近于理想濾波器，具有更好的濾波特性。其電路結構圖如圖4所示。運放芯片選用TL071C芯片，該芯片是具有低噪聲的單位增益運算放大器，輸入噪聲電壓為輸入電流1．4 mA，增益帶寬能達到4．0 MHz。將其與巴特沃思濾波電路相結合，設計成具有單位放大系數的偏壓跟隨電路，其具體電路結構如圖5所示。

圖4 二階巴特沃思濾波電路

圖5 偏置跟隨電路

設計中，考慮到驅動電路的通用性，設計了11路偏置輸出，以滿足偏置電壓較多的探測器應用。其中對于可調偏壓Gpol，設計了兩種可選方案，一種是由測試系統內發，外接BNC輸入;一種是穩定電壓芯片結合電位器提供。同時，考慮到系統內發信號上電不一致的情況，可能會對探測器造成損傷，在每路偏置前加入了繼電器控制。

2．2 時序邏輯電路部分

以某探測器正常工作的時序圖為例，如圖6所示，需要驅動電路的時序邏輯電路部分為探測器提供主時鐘MC和積分時間控制信號INT，讀出電路的數字電路則根據這兩個信號產生探測器讀出的邏輯時序，探測器在此時序下，完成信號data的正確讀出。同時，時序邏輯部分還需要產生與采集系統互通的同步信號來完成探測器輸出信號的采集。

圖6 探測器工作時序圖

數字脈沖信號很容易引入高頻噪聲，設計采用了一階低通濾波電路來濾除高頻噪聲和上升沿過沖現象?？梢酝ㄟ^優化設計R和C的值來達到濾除相應頻率的噪聲。同時，考慮到驅動電路通用性的問題，設計了兩種不同的脈沖輸入方式:一種是由測試系統直供式的，采用BNC與驅動電路連接;另一種是外接脈沖信號轉接板的方式，通過外部的FPGA或CPLD芯片來產生所需脈沖。同樣，考慮到系統內發信號不一致對探測器造成損傷，在數字脈沖部分也增加了繼電器控制。

2．3 信號輸出部分

探測器在提供了合適的偏置電壓和數字脈沖信號后，在讀出電路的控制下，信號有規律的輸出。從探測器直接輸出的信號通常在0～5 V范圍，而采集卡內AD采集范圍通常為正負電壓范圍，因此輸出信號需要經過一定的處理才能與之相匹配，繼而被正確的采集和處理。根據探測器的輸出信號以及采集卡的帶寬分析，設計了如圖7所示的信號輸出運放電路。

圖7 信號輸出運放電路

考慮到低噪聲設計要求，設計中選用LM6172運放芯片，它是具有雙電源供電的雙路運算放大器，帶寬能夠達到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。設計中，考慮了測試過程中不同型號探測器對放大倍數要求的影響，可以改變R4、R3(R11、R18)的阻值，來滿足輸入輸出信號不同正向放大倍數的要求。R5、R6、R9、R10(R14、R15、R16、R17)是阻抗匹配電阻，用來實現與后端采集卡的阻抗匹配，其值可根據實際負載及不同型號探測器的輸出來進行選擇。同時，R5、R6、R9、R10(R14、R15、R16、R17)是具有相同阻值的電阻。該設計能夠消除電阻隨機分布的離散性，使得阻抗匹配更加精確。

同時，考慮了驅動電路的通用性，設計了十六路信號輸出電路，以滿足不同探測器輸出通道數不同的要求。

3 測試結果

為了驗證該驅動電路的實際性能，選取同一種陣列規格為256×256的紅外探測器，在此驅動電路和另一測試電路上進行了性能測試，并將測試結果進行比較，比較結果如圖8及表1所示。

圖8 成像對比圖

表1 測試結果對比圖

從上述測試結果可以看出，此電路板輸出圖像與原有驅動電路一致。探測器的噪聲電壓RMS降低了0．05 mV，平均噪聲等效溫差與平均黑體探測率均優于原有驅動電路，滿足了驅動電路的設計要求。

4 結論

紅外焦平面陣列的性能與系統的光學系統、驅動電路、信號采集處理電路以及圖像處理算法緊密相關［4－5］。本文設計了一款紅外焦平面探測器驅動電路，整體設計滿足低噪聲要求，同時具有通用性強、可控性高的優點。能夠支持單路、雙路、四路、八路、十六路等多種輸出，適用于多種型號探測器的使用。目前已用于中波320×256、長波640×512等型號探測器篩選測試，同時，它可以在多個測試系統中使用?？傊?，此款驅動電路為今后紅外焦平面探測器篩選提供了良好的測試保障。

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