制冷型紅外探測(cè)器關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)與信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)

楊小樂，史漫麗，凌 龍

?

制冷型紅外探測(cè)器關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)與信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)

楊小樂，史漫麗，凌 龍

（北京空間機(jī)電研究所，北京 100094）

驅(qū)動(dòng)與信號(hào)處理電路是紅外成像系統(tǒng)的重要組成部分，高質(zhì)量的電路有利于系統(tǒng)獲得高信噪比。針對(duì)制冷型紅外探測(cè)器電學(xué)接口特點(diǎn)，成像電路架構(gòu)采用焦面電路和信號(hào)處理電路，基于電路架構(gòu)，設(shè)計(jì)出高集成度、低噪聲的驅(qū)動(dòng)與信號(hào)處理電路，給出部分仿真結(jié)果和電路噪聲估算方法。介紹了一種軟硬結(jié)合的降噪方法，最后給出了電路核心指標(biāo)噪聲的測(cè)試方法和具體噪聲值。

制冷型紅外探測(cè)器；電路噪聲；電源與偏置電壓；時(shí)序驅(qū)動(dòng)；模擬信號(hào)處理

0 引言

紅外成像系統(tǒng)是一種可探測(cè)目標(biāo)紅外輻射，通過光電轉(zhuǎn)換、電信號(hào)處理等手段，將目標(biāo)物體的溫度分布轉(zhuǎn)換成圖像的系統(tǒng)。紅外探測(cè)器是成像系統(tǒng)的核心，為發(fā)揮探測(cè)器的最佳性能，需要低噪聲的成像電路。電路主要是為探測(cè)器提供電源與偏置電壓、時(shí)序信號(hào)，同時(shí)對(duì)模擬輸出信號(hào)進(jìn)行調(diào)理、模數(shù)轉(zhuǎn)換。目前的文獻(xiàn)中對(duì)紅外圖像處理技術(shù)介紹的較多，詳細(xì)研究具體電路的文獻(xiàn)較少，本文圍繞制冷型紅外探測(cè)器的特點(diǎn)，從電路頂層架構(gòu)出發(fā)，設(shè)計(jì)出高集成度，低噪聲的驅(qū)動(dòng)與信號(hào)處理電路，給出了仿真結(jié)果和實(shí)際噪聲測(cè)試結(jié)果，并且提出了一種軟硬相結(jié)合的系統(tǒng)降噪方法。

1 制冷型紅外探測(cè)器

制冷型紅外探測(cè)器典型電學(xué)接口信號(hào)有3類，電源與偏置電壓，時(shí)序信號(hào)，模擬輸出信號(hào)。

電源和偏置電壓噪聲要求高，其中Gpol電壓（RMS噪聲要求小于100mV）是直接注入（DI）型探測(cè)器輸入級(jí)控制電壓，如圖1，它控制Mi為注入管，光生電流通過注入管在電容上積分，其質(zhì)量直接影響探測(cè)器的輸出噪聲[1-3]。

VR_PIX和SUBPV電壓是電容反饋負(fù)導(dǎo)放大器（CTIA）型探測(cè)器輸入級(jí)控制電壓。如圖2，該結(jié)構(gòu)可以獲得接近100%的注入效率，適合小信號(hào)探測(cè)[2-3]。2個(gè)電壓噪聲水平直接決定探測(cè)器噪聲水平。

圖1 DI輸入結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 電容反饋負(fù)導(dǎo)放大器結(jié)構(gòu)示意圖

時(shí)序信號(hào)主要有時(shí)鐘、積分控制、串口控制等，時(shí)序信號(hào)主要考慮信號(hào)間相位關(guān)系，例如積分控制信號(hào)必須在時(shí)鐘上升沿±1/4周期內(nèi)改變狀態(tài)，并且在此時(shí)間外保持穩(wěn)定，無(wú)毛刺。

模擬輸出信號(hào)特點(diǎn)是輸出阻抗大，驅(qū)動(dòng)能力弱，模擬輸出典型負(fù)載由一個(gè)≥100kW的電阻與一個(gè)≤10pF電容并聯(lián)組成。

掌握以上探測(cè)器典型電接口特點(diǎn)，是設(shè)計(jì)高質(zhì)量成像電路的前提。

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 電路架構(gòu)

制冷型紅外探測(cè)器采用真空杜瓦封裝，通過陶瓷引線環(huán)將電學(xué)信號(hào)引出，電路構(gòu)架采用焦面電路和信號(hào)處理電路，如圖3。焦面電路安裝在杜瓦上。如果杜瓦附近有足夠的空間，并且能夠保證焦面電路的力學(xué)性能，應(yīng)盡可能的將電路放置在焦面電路上，避免信號(hào)的長(zhǎng)距離傳輸。本文因焦面位置空間有限，焦面電路主要完成探測(cè)器電源與偏壓產(chǎn)生和濾波、時(shí)序信號(hào)整形驅(qū)動(dòng)，模擬信號(hào)阻抗變換和單端轉(zhuǎn)差分處理等功能，信號(hào)處理電路主要完成時(shí)序產(chǎn)生與驅(qū)動(dòng)，模擬信號(hào)調(diào)理與模數(shù)轉(zhuǎn)換，圖像處理以及輸出等功能。

圖3 信號(hào)處理電路典型架構(gòu)

2.2 電源與偏壓電路設(shè)計(jì)

電源與偏置電壓電路是成像電路的關(guān)鍵，直接影響探測(cè)器的性能。本文對(duì)pol或者VR_PIX和SUBPV采用電壓基準(zhǔn)源供電，選用的電壓基準(zhǔn)源有較小的低頻噪聲、溫度漂移、時(shí)間漂移等保證穩(wěn)定度和噪聲要求[1,4-6]。選用AD580-2.5電壓參考源，它提供標(biāo)準(zhǔn)2.5V電壓基準(zhǔn)，溫度穩(wěn)定性可以達(dá)到10ppm/℃，1Hz～1MHz峰峰值噪聲為600mV，但其噪聲不能滿足要求，為此增加RC濾波，濾除高頻噪聲，濾波頻率1/RC控制在1kHz以下，噪聲衰減24倍。為了減少電容的體積，盡量選用大的電阻，例如選擇100K電阻，因?yàn)闉V波串入電阻，所以本身驅(qū)動(dòng)能力只有10mA的AD580帶載能力更弱，同時(shí)考慮這類電壓要求具有一定的可調(diào)范圍，因此選用電壓基準(zhǔn)源＋運(yùn)放的方案，如圖4。pol或者VR_PIX和SUBPV供電噪聲為運(yùn)放與電壓基準(zhǔn)源噪聲之和，運(yùn)放要選擇窄帶、低噪聲電壓、溫度漂移系數(shù)低的運(yùn)算放大器，本文推薦選用AD822，輸入阻抗為10MW，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于100K。

圖4 Gpol或者VR_PIX和SUBPV供電電路

對(duì)于噪聲要求相對(duì)較低，驅(qū)動(dòng)能力要求較高的探測(cè)器模擬電源VDDA、數(shù)字電源VDDD，采用精密電壓基準(zhǔn)源與運(yùn)放＋三極管配合方案，通過三極管增加驅(qū)動(dòng)能力，典型電路如圖5。

圖5 電源供電電路

Fig.5 Power supply circuit

2.3 時(shí)序電路設(shè)計(jì)

時(shí)序信號(hào)由信號(hào)處理電路FPGA產(chǎn)生，采用54AC245TTL總線驅(qū)動(dòng)器增加信號(hào)驅(qū)動(dòng)能力，同時(shí)為了避免信號(hào)遠(yuǎn)距離傳輸，信號(hào)質(zhì)量下降，在焦面電路放置施密特觸發(fā)器54HC14進(jìn)行信號(hào)整形。

驅(qū)動(dòng)時(shí)序采用無(wú)空閑時(shí)間的最優(yōu)時(shí)序，驅(qū)動(dòng)頻率最小，小的驅(qū)動(dòng)頻率有利于探測(cè)器內(nèi)部讀出電路獲得最佳性能，同時(shí)也有利于探測(cè)器輸出信號(hào)采樣，更有利于采用多路選擇開關(guān)＋AD的信號(hào)處理方案，降低多路開關(guān)的速率要求。

探測(cè)器在驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘的上升沿輸出模擬信號(hào)，但是需要約半個(gè)時(shí)鐘周期的建立過程，信號(hào)在驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘的后半周平坦，因此要根據(jù)實(shí)際情況，通過FPGA調(diào)整采樣時(shí)鐘相位，獲得最佳采樣結(jié)果。

2.4 模擬信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)

探測(cè)器輸出模擬信號(hào)疊加在一個(gè)直流電平上，目前有交流耦合和直流耦合兩種處理方式。

交流耦合加直流恢復(fù)如圖6，直流恢復(fù)在恢復(fù)直流電平的同時(shí)，抑制了放大器的溫度漂移，但為保證精度，隔直電容和箝位電容會(huì)很大，并且受限于交流耦合電路低端頻率帶寬。

直流耦合電路形式簡(jiǎn)單，但無(wú)法抑制探測(cè)器輸出的溫漂以及運(yùn)算放大器的溫漂。目前二代紅外探測(cè)器整個(gè)讀出電路都工作在低溫區(qū)，溫漂很小，慢變的溫漂可通過非均勻性校正電路進(jìn)行實(shí)時(shí)校正，本文采用直流耦合。

圖6 交流耦合電路

探測(cè)器的輸出阻抗大，需要進(jìn)行阻抗變換，以便后續(xù)電路處理。阻抗變換采用跟隨電路，并且在探測(cè)器與跟隨電路間加入一階低通RC濾波器[1]，降低探測(cè)器輸出噪聲。低通濾波的截止頻率設(shè)為探測(cè)器輸出頻率的3～5倍。阻抗變換電路位于信號(hào)處理鏈路中的最前端，必須選擇低噪聲、低溫度漂移系數(shù)的運(yùn)放，以降低經(jīng)后級(jí)放大后的噪聲和漂移量對(duì)有用信號(hào)的影響，同時(shí)盡量靠近探測(cè)器輸出端，以減小布線中的寄生電容[7]，本文選用OP15放大器。

AD器件放在焦面電路上，模擬信號(hào)處理電路采用圖7的形式，信號(hào)阻抗變換后直接進(jìn)入AD轉(zhuǎn)換器，盡可能降低信號(hào)的傳輸路徑，如果選擇單端AD，圖中差分運(yùn)放2去掉即可。因焦面空間有限，焦面電路與信號(hào)處理電路距離約2m，采用圖8形式，AD器件放置在信號(hào)處理電路。

焦面電路與信號(hào)處理電路通過柔性PCB連接，焦面電路上的差分運(yùn)放實(shí)現(xiàn)單端到差分的轉(zhuǎn)換，信號(hào)處理電路上的差分運(yùn)放實(shí)現(xiàn)信號(hào)的進(jìn)一步調(diào)理，已濾除傳輸中引入的噪聲。采用差分信號(hào)傳輸，抗干擾能力強(qiáng)，外接共模噪聲幾乎可以完全抵消，對(duì)外輻射的電磁場(chǎng)相互抵消，能有效的抑制EMI，差分信號(hào)的開關(guān)變化位于兩個(gè)信號(hào)的交點(diǎn)，時(shí)序定位精確[4-5,8]。在差分放大電路的同相和反相輸入端加入共模噪聲，共模抑制仿真結(jié)果如圖9。

圖7 模擬信號(hào)處理電路1

Fig.7 Analog signal processing circuit 1

圖8 模擬信號(hào)處理電路2

Fig.8 Analog signal processing circuit 2

差分放大電路往往采用雙運(yùn)放，一個(gè)是跟隨器，另一個(gè)是增益為1的反向放大器，占用運(yùn)放多，推薦使用ADI差分放大器AD813x。AD813x差分放大器可以是差分輸入，也可以是單端輸入，可以實(shí)現(xiàn)單端信號(hào)到差分信號(hào)的轉(zhuǎn)換，它的輸出平衡度由本身特性決定，而不依賴于反饋網(wǎng)絡(luò)電阻，輸出差分信號(hào)的共模電平可以由輸入管腳Vcom簡(jiǎn)單設(shè)置。

為減少高頻信號(hào)的反射和振鈴效應(yīng)，在A/D輸出的數(shù)字信號(hào)中串入33W電阻[6]。

圖9 差分放大電路共模抑制仿真

3 噪聲分析與測(cè)試

成像電路的噪聲主要由模擬信號(hào)處理鏈路決定，模擬信號(hào)處理鏈路主要由運(yùn)放與AD器件組成。運(yùn)放的噪聲電壓計(jì)算如式(1)：

式中：n為運(yùn)放的等效輸入噪聲電壓；n為運(yùn)放的等效輸入噪聲電流；S為源阻抗；t為源電阻的熱噪聲。

n和n可以用式(2)、式(3)估算：

式中：n為等效輸入噪聲的電壓密度，nV×Hz－1/2；n為等效輸入噪聲的電流密度，pA×Hz－1/2。

源電阻熱噪聲按式(4)估算，其中＝1.38×10－23：

阻抗變換運(yùn)放OP15，經(jīng)計(jì)算噪聲為129.63mV。差分運(yùn)算放大器AD813x采用ADI公司的仿真計(jì)算工具，得到其噪聲為149.9mV。A/D的噪聲很多教科書上都按照最小量化分層LSB/121/2進(jìn)行計(jì)算，這是認(rèn)為量化噪聲在±LSB/2內(nèi)隨機(jī)分布，取其標(biāo)準(zhǔn)差。本文推薦按照最小LSB估算A/D噪聲，AD的輸入量程除以信噪比，噪聲為338.1mV。認(rèn)為級(jí)聯(lián)的模擬鏈路中各單元噪聲互不相關(guān)，模擬鏈路的噪聲n總為391.8mV，如式(5)[9-10]：

紅外探測(cè)器的驅(qū)動(dòng)頻率較低，最大為5MHz，而AD器件的采樣頻率高達(dá)幾十兆。在探測(cè)器輸出平坦區(qū)上疊加了很多隨機(jī)噪聲，可以采用多次采樣濾波的方法降低噪聲、提高信噪比，多次采樣濾波技術(shù)其原理如圖10，其認(rèn)為探測(cè)器噪聲時(shí)域分布特性是隨機(jī)的、不相關(guān)的，且服從泊松分布，在探測(cè)器輸出的平坦區(qū)利用AD的高采樣頻率對(duì)一像元進(jìn)行次采樣，將采樣得到的信號(hào)數(shù)字化之后取均值作為輸出的信號(hào)。理論經(jīng)過次采樣濾波后，信噪比能夠提高1/2倍。探測(cè)器主時(shí)鐘以及AD時(shí)鐘的相位要通過PLL鎖定，防止溫度漂移等因素造成AD時(shí)鐘采樣位置偏移，造成采樣結(jié)果錯(cuò)誤。

圖10 多次采樣濾波示意圖

紅外成像系統(tǒng)的噪聲有時(shí)間噪聲與空間噪聲，空間噪聲可以通過校正算法盡可能的降低，將時(shí)間噪聲視為系統(tǒng)噪聲，即連續(xù)采集幀圖像，計(jì)算出每一個(gè)探測(cè)像元的時(shí)間噪聲，然后平均每個(gè)像元的時(shí)間噪聲視為系統(tǒng)噪聲[1]。

實(shí)際測(cè)試電路的噪聲，因探測(cè)器輸出范圍是1.6～4.4V，測(cè)試方法是將焦面電路的輸入端接入2節(jié)串聯(lián)的干電池，通過采集經(jīng)過模擬信號(hào)處理鏈路后的圖像計(jì)算噪聲，計(jì)算結(jié)果整個(gè)電路的噪聲為520mV，采用8次采樣濾波，整個(gè)電路的噪聲為350mV，電路噪聲明顯降低。理論分析電路噪聲為391.8mV，實(shí)際測(cè)試偏大，這主要是與實(shí)際電路設(shè)計(jì)中的PCB具體設(shè)計(jì)、接地設(shè)計(jì)，供電電源品質(zhì)等因素有關(guān)。

4 結(jié)論

制冷型紅外探測(cè)器主要電學(xué)接口信號(hào)有電源與偏置電壓、時(shí)序信號(hào)和模擬輸出信號(hào)，驅(qū)動(dòng)與信號(hào)處理電路中任何一個(gè)環(huán)節(jié)，都會(huì)影響最終成像性能。本文從成像電路的架構(gòu)出發(fā)，通過電壓基準(zhǔn)源與運(yùn)放產(chǎn)生高質(zhì)量的偏置電壓，通過驅(qū)動(dòng)與整形芯片產(chǎn)生高質(zhì)量的時(shí)序信號(hào)，通過阻抗變換電路和差分放大器構(gòu)成模擬信號(hào)處理電路，并且給出了具體電路設(shè)計(jì)和噪聲分析方法。電路實(shí)測(cè)噪聲僅有520mV，通過多次采樣濾波技術(shù)，噪聲進(jìn)一步降低，成像質(zhì)量得到明顯改善。

[1] 謝寶蓉, 傅雨田, 張瀅清. 480×6長(zhǎng)波紅外探測(cè)器的低噪聲采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].激光與紅外, 2009, 39(11): 1177-1182.

XIE Baorong, FU Yutian, ZHANG Yingqing. Design of the acquisition system with low noise based on 480×6 long wavelength infrared detector[J]., 2009, 39(11): 1177-1182．

[2] 陶坤字, 李福巍, 周彥平,等. 紅外焦平面成像系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍自適應(yīng)技術(shù)研究[J]. 紅外與激光工程, 2008, 37(2): 265-269．

TAO Kunyu, LI Fuwei, ZHOU Yanping, et al. IRFPA imaging system dynamic range adaptive adjust technology[J]., 2008, 37(2): 265-269．

[3] 方丹. 紅外焦平面陣列讀出電路技術(shù)分析[J]. 紅外技術(shù), 2004, 26(2): 23-28.

FANG Dan. Skill analysis of readout intergrated circuits of IRFPA[J]., 2004, 26(2): 23-28.

[4] 安永泉, 禹健. 576×6長(zhǎng)波紅外探測(cè)器成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].激光與紅外, 2009, 39(2): 173-177.

AN Yongquan, YU Jian. Infrared imaging system design for 576×6 linear detector[J]., 2009, 39(2): 173-177.

[5] 禹健, 顏景龍. 576×6長(zhǎng)波紅外探測(cè)器多通道高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù), 2008, 28(6): 1272-1277.

YU Jian, YAN Jinglong. Design of 576×6 infrared detector multi-channel high speed acquisition system[J]., 2008, 28(6): 1272-1277.

[6] 陳曉東, 何錫君. 288×4長(zhǎng)波紅外探測(cè)器關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)[J]. 激光與紅外, 2011, 41(5): 562-564.

CHEN Xiao dong, HE Xi jun. Design of key driving circuits for 288×4 long-wavelength infrared detector[J]., 2011, 41(5): 562-564.

[7] 王華, 魏志勇, 張文昱, 等. 480×6紅外探測(cè)器信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)[J]. 紅外技術(shù), 2009, 31(9): 504-512．

WANG Hua, WEI Zhiyong, ZHANG Wenyu, et al. Design of 480×6 infrared focal plane array signal processing circuit[J]., 2009, 31(9): 504-512．

[8] 葛煒, 王君, 梁列國(guó), 等. 576×6 紅外焦平面陣列驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].激光與紅外, 2007,37(6): 37(6): 530-533.

GE Wei, WANG Jun, LIANG Lieguo, et al. Design and implementation of the 576×6 IRFPA drive circuit[J]., 2007,37(6): 530-533.

[9] 陳曉東. 288×4長(zhǎng)波紅外探測(cè)器數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計(jì)[J]. 紅外技術(shù), 2001, 33(3): 137-140．

CHEN Xiaodong. Design of signal acquisition module for 288×4 long-wavelength infrared detectors[J]., 2001, 33(3): 137-140．

[10] 張鈺, 鄧希寧, 高旭輝. 基于空間應(yīng)用的紅外探測(cè)器驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)[J]. 激光與紅外, 2015, 45(2): 150-152.

ZHANG Yu, DENG Xining, GAO Xuhui. Design of infrared detector driver circuit for space applications[J].,2015, 45(2): 150-152.

Design of the Key Driving and Signal Processing Circuit for Cooled Infrared Detector

YANG Xiaole，SHI Manli，LING Long

(,100094,)

Driving and signal processing circuit is a very important part of infrared imaging system. High quality circuit is beneficial to system SNR. According to the electronic interface characteristics of cooled infrared detector, the circuit structure consists of focal plane circuit and signal processing circuit. Based on the structure, high integration and low noise driving and signal processing circuit was designed. Simulation results and noise estimation method of composing circuit was given, and noise reduction method of combination of hardware and software is also given. In the last section, the core index noise test method and concrete value are presented.

cooled infrared detector，circuit noise，power and bias voltage，timing-driven，analog signal process

TN215

文獻(xiàn)標(biāo)示碼：A

1001-8891(2016)07-0556-05

2015-12-17；

2016-03-15.

楊小樂（1984-），男，滿族，遼寧丹東人，碩士，主要從事空間紅外遙感器電子學(xué)方面的研究工作。E-mail：chinayao88@icloud.com。