基于SiP 技術的小型化紅外前端采集微系統

方 珉，許 羽，趙亞南，吳 瑋，宋佳囡

（上海航天控制技術研究所，上海 201109）

紅外前端采集電路用于實現紅外成像傳感器的高精度、低噪聲驅動、模擬信號采集調理、高速模數轉換及信號預處理等功能，是各類紅外信息處理系統的關鍵組成部分[1]。隨著技術的進步，紅外成像傳感器不斷朝著高幀頻與高分辨率發展，由此需要前端采集系統處理的信息量越來越多，處理的速度越來越快，噪聲越來越低。此外，為了得到更好的系統性能，其他部組件和執行機構也在不斷擠壓采集電路的空間，使得電路可利用的空間越來越小。目前紅外前端采集電路已選用了大量小封裝塑封貼片元器件來實現小型化設計，但即使如此，電路板上的器件也已非常密集，很容易與結構干涉并帶來信號串擾等問題。由此可見，基于傳統印制板與分立器件的設計模式在電路的進一步小型化上已遇到了瓶頸。

設計了一種基于SiP 系統級封裝技術的小型化紅外前端采集微系統[2]，通過對原系統功能的合理劃分，將多片芯片集成至3 個模塊中，結合數模混合電路抗干擾及低噪聲傳感器驅動技術，實現紅外前端采集電路的小型化、低噪聲設計。

1 系統總體設計

1.1 SiP技術概述

SiP 技術將兩個或多個大規模集成電路的裸芯片及其他微組件（包括芯片組件）統一集成在一個高密度互連基板中，并將具有不同功能的高密度微電子組件封裝在同一外殼內。SiP 技術中融合了多層布線基板技術、多層布線互連技術、表面貼裝技術、裸芯片制造等先進的技術，其優勢集中體現在性能高、可靠性強、體積小、密度大等方面。它是制造高速電子系統，實現電子整機小型化和系統集成的有效途徑[3]。

1.2 系統功能劃分

為了避免與紅外信息處理系統中的紅外成像傳感器、執行機構等部組件發生干涉，原紅外前端采集電路采用了軟硬結合印制板技術，將不同功能器件分散布置在3 塊硬板上，板間信號通過柔性板進行連接。該設計通過對電路功能的合理劃分，將原先需要多片芯片實現的功能集成至3 個塑封模塊：低噪聲傳感器驅動模塊、高速信號緩沖及轉換模塊、可編程數字處理模塊，并將其放置在一塊印制板上，微系統總體架構如圖1 所示。

圖1 小型化紅外前端采集微系統總體框圖

2 各模塊設計

2.1 低噪聲傳感器驅動模塊

低噪聲傳感器驅動模塊主要提供紅外成像傳感器正常工作所需的電源及低噪聲偏置電壓[4]。在紅外信息處理系統中，紅外成像傳感器正常工作共需兩類偏置電壓，一類為可調偏壓，用于調整傳感器的最佳工作點，另一類則為固定偏壓，為傳感器提供工作電源、基準電壓等[5]。

可調偏壓由于不是標準電壓值，且對電壓調整精度要求較高，因此采用FPGA 輸出可調偏置電壓代碼，由D/A 變換器數模變換后再經運算放大器緩沖輸出的方式實現，其中D/A 轉換器選用16 bit 分辨率、INL 為±12 LSB、SPI 接口且為電壓輸出的產品，以簡化外圍電路。該轉換器內部參考電壓Vref為2.5 V，根據計算公式：

可得，在給定數字量下，D/A 轉換器電壓最大變化量約為1 mV，可滿足傳感器對該路偏壓不大于10 mV 的電壓調整精度要求[6]。

值得注意的是，由于紅外成像傳感器像元陣列上的每個探測元可簡化為一個RC充放電電路[7]，經計算該設計所需驅動的紅外成像傳感器總電容量已達μF 級，因此可以把它看成一個容性負載，當這個容性負載與運算放大器內部的輸出電阻Ro相接時，在運放傳遞函數上將產生一個附加的極點從而導致運放電路變得不穩定。為了避免運算放大器在驅動容性負載時可能引起的振蕩，將運放緩沖電路設計成如圖2 所示的“雙反饋”形式。該電路通過在運放反饋通道中增加電容Cf以抵消傳感器電容Cl所造成的極點和零點。因此，整個電路的傳遞函數和相位響應與沒有電容Cl時完全一樣，確保了整個偏壓電路的穩定[8]。

圖2 “雙反饋”運放緩沖電路原理圖

固定偏壓則由低噪聲電壓基準經電阻分壓后產生。通過調整分壓電阻分別輸出多路探測器工作所需電源與基準電壓。該設計采用電壓基準外接運放的形式來實現傳感器固定偏壓的輸出。運放緩沖電路同樣選用“雙反饋”形式以提高穩定性。該電路中所選電壓基準輸出電壓為4.096 V，噪聲為35 μV，所選運算放大器則具備最高150 mA的電流驅動能力，可滿足紅外成像傳感器對固定偏壓最大100 μV 噪聲與不小于35 mA 電流驅動能力的要求。

2.2 高速信號緩沖及轉換模塊

紅外成像傳感器模擬信號由傳感器輸出后，需經過阻抗匹配、信號調理緩沖以及高速A/D 變換后才能傳送至FPGA 進行進一步處理。阻抗匹配電路由單倍增益放大電路實現，運算放大器選擇250 MHz帶寬、軌至軌產品，匹配電阻Rd按傳感器要求選擇100 kΩ，使傳感器信號不失真地進入下一級緩沖電路。由于紅外成像傳感器的信號輸出范圍為1～4 V，而高速A/D 變換器的輸入范圍為-1～+1 V，故不能直接將傳感器信號引入A/D 變換器，還需設計基于運算放大器的調理緩沖電路[9]。

如圖3 所示，該電路通過選取合適的反饋電阻Rf與Rg值來設置一定的放大倍數，需注意的是為了減小電阻熱噪聲對傳感器信號的影響，Rf與Rg的值不宜選得過大，此處Rf選200 Ω、Rg選300 Ω，將輸出信號范圍由3 V 調整為2 V。通過在運放反相輸入端接入2 V 參考電壓Vref來濾除傳感器輸出信號中的直流分量，確保最終的輸出信號正好在A/D 變換器可采集的有效范圍內。此外，通過增加Cf與Ct組成兩級低通濾波器將傳感器信號帶寬限制在16 MHz 左右，從而進一步降低傳感器信號噪聲。

圖3 調理緩沖電路原理圖

高速A/D 變換器則選擇14 bit 分辨率、不小于125 Msps 變換率、LVDS 串行輸出接口的產品，在滿足整個系統對信噪比與實時性要求的同時，通過降低接口信號線的數量，進一步減小模塊面積。

2.3 可編程數字處理模塊

該模塊以可編程處理器件FPGA 為核心，主要完成數字接口實現、時序邏輯控制及數據傳輸等功能。經前期評估，整個前端采集電路正常工作所需的邏輯資源約在3 000 個LE 左右。該設計所選用的FPGA 內部包括4 480 個LE，700 kb SRAM 資源，15 個DSP 單元，1 個PLL，16 個全局時鐘網絡，最大支持207 個I/O 端口，差分端口數量為100 個。此外還集成了FLASH 存儲器與RS485 接口轉換芯片，可直接與具備同類接口的傳感器連接，以進一步簡化外圍電路[10]。

為了盡量減少對外引線數量，前端采集電路與后端電路間選用了FPGA 內部自帶的異步串行接口作為互相間的通信接口，該接口可在程序中直接調用，對外只需要一根同軸電纜即可實現穩定、可靠的數據傳輸[11]。

3 PCB設計與測試

3.1 PCB設計

采用Altium Designer 軟件進行PCB 設計，在采用SiP 微系統模塊后，將原基于分立器件需3 塊印制板才能實現的電路功能，整合至一塊尺寸為35 mm×35 mm 的PCB 上，電路布局如圖4 和圖5 所示。設計過程中，將低噪聲傳感器驅動模塊（SiP1）靠近紅外成像傳感器接口擺放；可編程數字處理模塊（SiP3）靠近后級電路串行通信接口擺放；高速信號緩沖及轉換模塊（SiP2）則放置在中間，通過合理布局可有效地分隔模擬信號與數字信號，降低數字信號對模擬信號的干擾[12]。

圖4 PCB正面布局圖

圖5 PCB背面布局圖

盡管在PCB 布局上已盡可能進行了模數隔離，但由于PCB 面積限制，紅外成像傳感器正常工作時所需的時鐘、使能等數字信號，在由可編程數字處理模塊輸出至傳感器接口連接器時，不可避免地會經過模擬區域，由此會帶來線間串擾的問題。因此在PCB 布線過程中采取了以下幾個措施來減小串擾噪聲[13]：

1）在數字時鐘、使能信號上采用端接技術，以減小容性耦合和感性耦合產生的串擾耦合干擾；

2）在布線條件許可的情況下，盡量增大可能發生串擾耦合傳輸線之間的距離，減小并行傳輸走線的長度；

表5為刀具夾持長度不同時，換能器在20 kHz附近的振模態下，頻率、位移節點位置和應力的變化情況，其中刀具長度均為40 mm。

3）在相鄰信號傳輸線間插入一根地線，以有效減小容性串擾。

為了驗證上述措施的有效性，將設計完的PCB文件導入Hyperlynx 軟件進行串擾仿真，將紅外成像傳感器輸出信號設為敏感線，設置串擾電氣閾值為50 mV，仿真結果如圖6 所示。可見，在設定的串擾閾值范圍內，無網絡會對該信號形成干擾[14]。

圖6 串擾仿真結果圖

3.2 系統測試

對微系統各主要功能模塊開展相關測試，首先對低噪聲偏壓部分進行測試[15]，其可調偏壓紋波如圖7 所示，紋波峰峰值在6.9 mV 左右，滿足探測器不大于10 mV 的指標要求。

圖7 可調偏壓紋波測試結果

將各偏壓值及紋波噪聲與原分立電路測試結果進行對比，見表1 與表2。

表1 傳感器偏壓測試結果

表2 傳感器偏壓噪聲測試結果

噪聲等效溫差(Noise-Equivalent Temperature Difference,NETD)指紅外成像傳感器能探測到的最小溫差，可以用于預測極限溫差下的觀測距離，是衡量紅外成像傳感器性能的主要指標之一[16]。將微系統連接紅外成像傳感器后對該指標進行測試，并與原分立電路測試結果進行對比，見表3。

表3 紅外成像傳感器NETD測試結果

將微系統連接后端電路后對異步串行通信接口進行測試，兩者間能正常通信，校驗和錯誤計數一直為“00”，無誤碼，測試結果見圖8。

圖8 異步串行通信測試結果

從上述測試結果可見，基于SiP 技術的微系統主要技術指標與原分立電路保持一致，在偏壓噪聲及NETD 方面優于原分立電路。

4 結論

設計了一種小型化紅外前端采集微系統，利用SiP 技術將多片芯片按功能劃分并分別集成至3 個模塊中，在不裁減功能的情況下，將原需3 塊印制板實現的功能集成至單塊印制板上，實現了采集電路的小型化設計，為系統其他部組件的安裝騰出了空間。同時通過多芯片封裝技術，擺脫了以往小型化電路對進口塑封器件的依賴，為后續實現元器件自主可控打下了基礎。通過對比測試，應用SiP 技術的小型化紅外前端采集微系統性能與原電路保持一致，在噪聲等指標上優于原采集電路，后續可推廣應用至其他對小型化有迫切需求的紅外信息處理系統。