一種低溫探針臺紅外焦平面探測器測試系統信號調理系統

李騰飛，彭晶，孟超

（中國空空導彈研究院，河南 洛陽 471000）

0 引言

焦平面芯片組件是紅外探測器的重要組成部分[1]，快速、準確地評估紅外焦平面陣列的性能，對于提升探測器的整體性能具有重要意義。制冷型紅外焦平面探測器芯片的響應測試需建立液氮溫度的低溫環境[2]，目前國內針對制冷型探測器芯片低溫入檢及篩選都是通過金屬杜瓦進行測試，存在成本高、裝配復雜和效率低的缺點，同時對芯片結構會造成一定損壞。

低溫探針臺是能夠在低溫環境下對精密器件進行可靠性檢測的重要測試設備[3]。采用低溫探針臺開發專用于制冷型紅外焦平面探測器的測試系統，對電路及芯片組件入檢和篩選，高效篩選出不合格組件，節省探測器的封裝成本。

圖1為基于低溫探針臺的紅外焦平面測試系統原理圖。低溫探針臺提供探針與被測芯片的接觸平臺，保證探針與被測芯片的精確接觸，同時提供芯片工作的低溫和真空環境。脈沖發生器和偏置電源在工控機控制下經信號調理電路為芯片提供時序脈沖和偏置電壓，探測器芯片輸出模擬信號，經信號調理后轉換輸出高速數采卡所需信號，該信號需經偏移、衰減和濾波等處理，高速數采卡對信號進行模數轉換后傳輸至工控機，在工控機上進行數據處理、數據分析和圖形顯示等工作[4]。

圖1 低溫探針臺測試系統結構圖

信號調理電路屬于低溫探針臺紅外焦平面探測器測試系統的關鍵部件，性能好壞直接決定系統測試精度。當信號調理電路噪聲較大時，系統的探測靈敏度會降低，最終導致圖像分辨率下降。開發低噪聲信號調理電路對于提供系統性能具有重要意義，本文旨在開發一種符合上述要求的信號調理電路。

1 總體方案

信號調理電路的功能為將探測器輸出的電壓信號轉換成紅外焦平面測試系統采集所需信號。紅外焦平面測試系統使用的高速采集卡為PXI9846D（凌華公司），其性能為：帶寬大于40MHz，輸入阻抗50Ω、輸入電壓范圍±1V時，RMS噪聲為5.0個LSB。

探測器芯片輸出響應信號電壓范圍為0～5V，需經調理電路對信號進行偏移、衰減和濾波處理，滿足采集卡的輸入電壓范圍[5]。信號調理電路由低噪聲高穩定偏置電源、低噪聲多路差分放大器和A/D適配模塊構成，總體方案如圖2所示。探測器輸出響應電壓信號為0～5V，驅動能力弱，為能夠獲取完整的探測器輸出信號，首先通過一級電壓跟隨電路；之后通過分壓電路將0～5V電壓信號轉換成0～2V；接著第二級運放采用減法器形式，將輸入信號和2V參考電壓做減法，實現將0～2V信號變換為-2～2V的信號；第三級運放采用二階有源低通濾波器形式，最后通過分壓電路將-2～2V轉換為-1～1V。

圖2 探測器輸出信號調理電路總體方案

信號調理電路如圖3，該電路由四級運放組成：第一級電路實現輸入信號跟隨功能，具有較大的輸入阻抗，能夠無損的采集探測器輸出信號，R1和C1構成低通濾波器，減少輸入信號的干擾[6]。在第一級和第二級放大電路之間是信號分壓電路，通過R4和R6對信號進行分壓，將0～5V電壓信號變為0～2V電壓信號；第二級電路是為減法器，將0～2V電壓信號變為-2～2V電壓信號，運算公式為Uout=2*Uin-Uref,通過R3和R5將基準電壓5V衰減為2V的參考電壓；通過第三級和第四級電路組成了SallyKey二階有源低通濾波器，帶寬約為25MHz到27MHz之間。通過R11和R12對信號進行分壓，將-2～2V電壓信號變為-1～1V電壓信號。

圖3 信號調理電路原理圖

系統底噪和焦平面探測器的輸出性能與偏置電源緊密相關，而傳統電源一般只能達到1%的最優穩定度，而且其噪聲與開關電路相關聯[7]。為得到低噪聲的輸出偏置電源，本方案采用DA+PA的模式實現所需偏置電源（圖4），使用低噪聲的功率放大器，利用其優秀的PSRR性能(一般能達到60dB)可將供電電源的噪聲由100mV降為200uV。為獲得高的穩定度，設計時使用高穩基準（1ppm）作為DA（14bit）電路的參考源，可使其輸出紋波達到小于1mV。

2 測試結果分析與討論

2.1 信號調理電路性能驗證

用某128x128陣列芯片的輸出（常溫條件）作為信號調理電路的輸入信號，輸出信號電壓范圍0～5V，信號頻率為5MHz。信號調理電路的輸出信號，輸出信號的電壓為-1～1V，經測試，輸入信號下降沿115ns,輸出信號下降沿120ns，信號完整不失真，滿足設計要求。

2.2 信號調理電路與整機進行系統測試

后續同一芯片組件分別使用不同測試設備進行驗證。圖5（a）為使用法國某系統對杜瓦器件測試壞元圖，圖5（b）為使用低溫探針臺測試系統壞元圖，壞元對比較為一致。

圖5 壞元圖測試對比

3 結語

開發了一種用于低溫探針臺紅外焦平面探測器測試系統的信號調理電路，信號調理電路可將探測器輸輸出電壓0～5V轉換為-1～1V。經測試，頻率5MHz鋸齒波信號，輸入信號下降沿115ns,輸出信號下降沿120ns，信號完整不失真，達到設計要求；將信號調理電路應用于測試系統，與法國某系統測試杜瓦器件壞元圖對比，壞元分布數量較為一致，可以滿足紅外焦平面測試系統需求。