基于空間應用的紅外探測器驅動電路設計

張 鈺,鄧希寧,高旭輝

(華北光電技術研究所，北京 100015)

·紅外技術及應用·

基于空間應用的紅外探測器驅動電路設計

張 鈺,鄧希寧,高旭輝

(華北光電技術研究所，北京 100015)

以空間應用為目的,提出基于國產1024×6長波紅外探測器的驅動電路設計方案。該方案利用LDO和電壓跟隨器產生探測器需要的驅動電壓。通過對該方案進行論證及在某型號空間相機中應用,證明該方案切實有效,能夠較好的滿足空間應用需求。

紅外探測器；驅動電路；低噪聲設計；空間應用

1 引 言

空間成像技術是一個國家實力的標志,它不僅能在氣象、生物技術等民用領域造福百姓,更能在反導、偵查等軍事領域捍衛國家主權。星載紅外探測器驅動電路安裝于空間紅外相機中,為了滿足空間應用,要求其必須適應真空、輻射等復雜的太空環境,同時具備高可靠性。本文以某型號空間紅外相機探測器驅動電路設計為依據,針對電路所處的空間環境,從供配電設計、偏置電壓設計、阻抗匹配設計、差分傳輸設計、低噪聲設計、空間環境適應性方面進行了設計和論述。

2 紅外探測器驅動電路設計

2.1 概述

紅外探測器驅動電路為紅外探測器(以下簡稱“探測器”)工作提供必須的工作電源、偏置電壓、時序電路等,同時完成對探測器模擬信號的讀取和預處理,其原理如圖1所示。

圖1 探測器驅動板原理框圖

2.2 探測器驅動電路設計

2.2.1 探測器供電設計

探測器所需的三個供電電源分別為VDDA、VDDO和VDDD。空間環境對電源的可靠性、體積、重量等參數都有著苛刻的要求[1],為了減小電源的輸出波動和開關帶來的噪聲,采用體積小、重量輕、抗干擾性強的LDO(MSK5101)直接給探測器供電。探測器驅動電路工作溫度范圍為-20～+50℃,此范圍內該LDO溫漂為1.4 mV,滿足探測器使用要求,同時該芯片輸出電流可達1.5 A,滿足驅動電流設計需求,電路設計如圖2所示。

圖2 探測器配電電源設計

2.2.2 探測器偏置電壓設計

探測器有7個直流偏置電壓,分別為GPOL(0.5～2 V)、VPD(1.7～4.2 V)、3.1 V外部偏置(VR、VREF、VSREF)、2.5 V外部偏置(VSWSREF、AJTREF)[2]。這些偏置電壓對噪聲非常敏感,輸入電壓的波動會給探測器輸出信號帶來較大影響。為了保證探測器輸出信號的穩定,須保證探測器偏置電壓的穩定,同時盡量減小噪聲。

設計時,選用低噪聲、低電壓調整率的LDO產生一個穩定的電壓V1,通過高精度的分壓電阻從V1分得所需電壓V2。為了增大驅動能力,同時起到隔離作用,將電壓V2通過低噪聲、高共模抑制比的運算放大器AD843(該運放在10 Hz～10 MHz帶寬內噪聲均方根為60 μV,可滿足探測器對偏置電壓噪聲均方根的要求)進行緩沖,得到電壓V3供探測器使用,如圖3所示。

圖3 探測器偏壓電路設計

2.2.3 探測器輸出信號阻抗匹配設計

探測器輸出模擬信號的典型負載要求為：R≥100 kΩ,C≤10 pF。在設計時,選取的運放(AD 843)輸入阻抗可達1010Ω,輸入電容為6 pF,可滿足探測器的負載要求,設計如圖4所示。

圖4 探測器輸出信號阻抗匹配設計

2.2.4 中心電平平移及差分傳輸設計

探測器輸出信號動態范圍為1.7～4.2 V,中心電平為2.95 V,而A/D芯片對輸入信號中心電平的要求為0 V。為了滿足A/D芯片對輸入信號的要求,在驅動電路上對探測器輸出信號進行中心電平平移。

紅外信號屬于小信號,易受到復雜的空間干擾影響,這種影響對于單端信號影響較大。當采用差分電路設計時,正負兩路信號會受到相同的影響,但其差值ΔU=V+-V-變化較小,可減弱這種影響,因此采用差分傳輸設計,如圖5所示。

圖5 中心電平平移及差分傳輸設計

2.3 低噪聲設計與改進

為了對設計的電路性能進行評估,使用數據采集軟件采集探測器輸出的信號并通過MATLAB對其進行分析。探測器驅動電路與系統聯調,采集35 ℃時黑體數據并分析,發現約有15個DN值波動(幅值為7.3 mV),如圖6所示。此時系統數字噪聲均方根為2.7 mV,NETD為65 mK。

圖6 采取濾波措施前

為了降低噪聲,在探測器驅動電路的供電入口、信號傳輸的關鍵路徑等位置加上濾波措施(如大容量鉭電容等)。重新采集圖像數據并分析,測得此時DN值波動約7個(幅值為3.4 mV),如圖7所示。此時系統數字噪聲均方根為1.4 mV,NETD為34 mK。

圖7 采取濾波措施后

2.4 空間環境適應性設計

2.4.1 降額設計

降額是使元器件使用中的應力低于其額定值,以達到延緩參數退化,提高使用可靠性的目的。探測器驅動電路工作于空間環境中,為了保證其安全性和可靠性,在設計過程中對元器件的參數進行了降額設計,如表1所示。

表1 主要元器件降額設計

2.4.2 抗單粒子鎖定設計

探測器驅動電路工作于空間環境中,CMOS器件中的晶體管結構很容易受到空間高能粒子沖擊,進而引發單粒子鎖定效應(SEL)[3]。發生SEL后,CMOS器件鎖定區的電流將會大幅度增加,形成SEL異常大電流[4],進而影響電路的正常工作。為了防止SEL的發生,在電路設計時采取以下措施：

a)運放芯片(AD8138/AD843)的供電端串聯限流電阻；

b)選用具有輸出限流功能的MSK系列LDO芯片；

c)選用抗輻照器件；

通過降額設計與抗單粒子鎖定設計,保證了驅動電路工作的可靠性和空間環境適應性。

2.5 性能檢測

保持相同的光學、擺鏡和數據采集設備,分別使用本文設計的探測器驅動電路和某型探測器驅動電路采集黑體圖像數據并分析,結果如表2所示。

表2 本文設計的探測器驅動電路與某型探測器驅動電路性能對比

通過表2可知,在國產探測器均勻性、一致性與進口探測器有一定差距的情況下,通過改進探測器驅動電路,最終在性能指標上趕超了某型探測器驅動電路。證明該方案設計實用、有效。通過與系統聯調,該探測器驅動電路工作穩定、可靠,可滿足空間要求。

3 總 結

本文設計的探測器驅動電路,以空間應用為出發點,在滿足性能指標的要求下,考慮了電路的空間環境適應性。通過與系統聯調,證明該設計穩定、可靠,滿足空間使用需求。

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Design of infrared detector driver circuit for space applications

ZHANG Yu,DENG Xi-ning,GAO Xu-hui

(North China Research Institute of Electro-optics,Beijing 100015,China)

Based on space applications,a design of driver circuit based on 1024×6 long-wavelength infrared detectors is put forward. LDO and voltage follower is used to produce the required drive voltage. The design has been used in a practical space camera,it proves the design is effective and can meet the needs of space applications.

infrared detector; driver circuit;low-noise design;space application

1001-5078(2015)02-0150-03

張 鈺(1989-),男,碩士研究生,主要研究方向為空間紅外成像技術。E-mail：fengzaiyundian@126.com

2014-08-20;

2014-09-03

TN216

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2015.02.007