張 鈺,鄧希寧,高旭輝

(華北光電技術(shù)研究所，北京 100015)

·紅外技術(shù)及應(yīng)用·

基于空間應(yīng)用的紅外探測器驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

張 鈺,鄧希寧,高旭輝

(華北光電技術(shù)研究所，北京 100015)

以空間應(yīng)用為目的,提出基于國產(chǎn)1024×6長波紅外探測器的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)方案。該方案利用LDO和電壓跟隨器產(chǎn)生探測器需要的驅(qū)動(dòng)電壓。通過對該方案進(jìn)行論證及在某型號(hào)空間相機(jī)中應(yīng)用,證明該方案切實(shí)有效,能夠較好的滿足空間應(yīng)用需求。

紅外探測器；驅(qū)動(dòng)電路；低噪聲設(shè)計(jì)；空間應(yīng)用

1 引 言

空間成像技術(shù)是一個(gè)國家實(shí)力的標(biāo)志,它不僅能在氣象、生物技術(shù)等民用領(lǐng)域造福百姓,更能在反導(dǎo)、偵查等軍事領(lǐng)域捍衛(wèi)國家主權(quán)。星載紅外探測器驅(qū)動(dòng)電路安裝于空間紅外相機(jī)中,為了滿足空間應(yīng)用,要求其必須適應(yīng)真空、輻射等復(fù)雜的太空環(huán)境,同時(shí)具備高可靠性。本文以某型號(hào)空間紅外相機(jī)探測器驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)為依據(jù),針對電路所處的空間環(huán)境,從供配電設(shè)計(jì)、偏置電壓設(shè)計(jì)、阻抗匹配設(shè)計(jì)、差分傳輸設(shè)計(jì)、低噪聲設(shè)計(jì)、空間環(huán)境適應(yīng)性方面進(jìn)行了設(shè)計(jì)和論述。

2 紅外探測器驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

2.1 概述

紅外探測器驅(qū)動(dòng)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(shí)序電路等,同時(shí)完成對探測器模擬信號(hào)的讀取和預(yù)處理,其原理如圖1所示。

圖1 探測器驅(qū)動(dòng)板原理框圖

2.2 探測器驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

2.2.1 探測器供電設(shè)計(jì)

探測器所需的三個(gè)供電電源分別為VDDA、VDDO和VDDD?？臻g環(huán)境對電源的可靠性、體積、重量等參數(shù)都有著苛刻的要求[1],為了減小電源的輸出波動(dòng)和開關(guān)帶來的噪聲,采用體積小、重量輕、抗干擾性強(qiáng)的LDO(MSK5101)直接給探測器供電。探測器驅(qū)動(dòng)電路工作溫度范圍為-20～+50℃,此范圍內(nèi)該LDO溫漂為1.4 mV,滿足探測器使用要求,同時(shí)該芯片輸出電流可達(dá)1.5 A,滿足驅(qū)動(dòng)電流設(shè)計(jì)需求,電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 探測器配電電源設(shè)計(jì)

2.2.2 探測器偏置電壓設(shè)計(jì)

探測器有7個(gè)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(dòng)會(huì)給探測器輸出信號(hào)帶來較大影響。為了保證探測器輸出信號(hào)的穩(wěn)定,須保證探測器偏置電壓的穩(wěn)定,同時(shí)盡量減小噪聲。

設(shè)計(jì)時(shí),選用低噪聲、低電壓調(diào)整率的LDO產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)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(qū)動(dòng)能力,同時(shí)起到隔離作用,將電壓V2通過低噪聲、高共模抑制比的運(yùn)算放大器AD843(該運(yùn)放在10 Hz～10 MHz帶寬內(nèi)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(jìn)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(shè)計(jì)

2.2.3 探測器輸出信號(hào)阻抗匹配設(shè)計(jì)

探測器輸出模擬信號(hào)的典型負(fù)載要求為：R≥100 kΩ,C≤10 pF。在設(shè)計(jì)時(shí),選取的運(yùn)放(AD 843)輸入阻抗可達(dá)1010Ω,輸入電容為6 pF,可滿足探測器的負(fù)載要求,設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 探測器輸出信號(hào)阻抗匹配設(shè)計(jì)

2.2.4 中心電平平移及差分傳輸設(shè)計(jì)

探測器輸出信號(hào)動(dòng)態(tài)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(hào)中心電平的要求為0 V。為了滿足A/D芯片對輸入信號(hào)的要求,在驅(qū)動(dòng)電路上對探測器輸出信號(hào)進(jìn)行中心電平平移。

紅外信號(hào)屬于小信號(hào),易受到復(fù)雜的空間干擾影響,這種影響對于單端信號(hào)影響較大。當(dāng)采用差分電路設(shè)計(jì)時(shí),正負(fù)兩路信號(hào)會(huì)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(shè)計(jì),如圖5所示。

圖5 中心電平平移及差分傳輸設(shè)計(jì)

2.3 低噪聲設(shè)計(jì)與改進(jìn)

為了對設(shè)計(jì)的電路性能進(jìn)行評估,使用數(shù)據(jù)采集軟件采集探測器輸出的信號(hào)并通過MATLAB對其進(jìn)行分析。探測器驅(qū)動(dòng)電路與系統(tǒng)聯(lián)調(diào),采集35 ℃時(shí)黑體數(shù)據(jù)并分析,發(fā)現(xiàn)約有15個(gè)DN值波動(dòng)(幅值為7.3 mV),如圖6所示。此時(shí)系統(tǒng)數(shù)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(qū)動(dòng)電路的供電入口、信號(hào)傳輸?shù)年P(guān)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(shù)據(jù)并分析,測得此時(shí)DN值波動(dòng)約7個(gè)(幅值為3.4 mV),如圖7所示。此時(shí)系統(tǒng)數(shù)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(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)

2.4.1 降額設(shè)計(jì)

降額是使元器件使用中的應(yīng)力低于其額定值,以達(dá)到延緩參數(shù)退化,提高使用可靠性的目的。探測器驅(qū)動(dòng)電路工作于空間環(huán)境中,為了保證其安全性和可靠性,在設(shè)計(jì)過程中對元器件的參數(shù)進(jìn)行了降額設(shè)計(jì),如表1所示。

表1 主要元器件降額設(shè)計(jì)

2.4.2 抗單粒子鎖定設(shè)計(jì)

探測器驅(qū)動(dòng)電路工作于空間環(huán)境中,CMOS器件中的晶體管結(jié)構(gòu)很容易受到空間高能粒子沖擊,進(jìn)而引發(fā)單粒子鎖定效應(yīng)(SEL)[3]。發(fā)生SEL后,CMOS器件鎖定區(qū)的電流將會(huì)大幅度增加,形成SEL異常大電流[4],進(jìn)而影響電路的正常工作。為了防止SEL的發(fā)生,在電路設(shè)計(jì)時(shí)采取以下措施：

a)運(yùn)放芯片(AD8138/AD843)的供電端串聯(lián)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(shè)計(jì)與抗單粒子鎖定設(shè)計(jì),保證了驅(qū)動(dòng)電路工作的可靠性和空間環(huán)境適應(yīng)性。

2.5 性能檢測

保持相同的光學(xué)、擺鏡和數(shù)據(jù)采集設(shè)備,分別使用本文設(shè)計(jì)的探測器驅(qū)動(dòng)電路和某型探測器驅(qū)動(dòng)電路采集黑體圖像數(shù)據(jù)并分析,結(jié)果如表2所示。

表2 本文設(shè)計(jì)的探測器驅(qū)動(dòng)電路與某型探測器驅(qū)動(dòng)電路性能對比

通過表2可知,在國產(chǎn)探測器均勻性、一致性與進(jìn)口探測器有一定差距的情況下,通過改進(jìn)探測器驅(qū)動(dòng)電路,最終在性能指標(biāo)上趕超了某型探測器驅(qū)動(dòng)電路。證明該方案設(shè)計(jì)實(shí)用、有效。通過與系統(tǒng)聯(lián)調(diào),該探測器驅(qū)動(dòng)電路工作穩(wěn)定、可靠,可滿足空間要求。

3 總 結(jié)

本文設(shè)計(jì)的探測器驅(qū)動(dòng)電路,以空間應(yīng)用為出發(fā)點(diǎn),在滿足性能指標(biāo)的要求下,考慮了電路的空間環(huán)境適應(yīng)性。通過與系統(tǒng)聯(lián)調(diào),證明該設(shè)計(jì)穩(wěn)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?yàn)榭臻g紅外成像技術(shù)。E-mail：fengzaiyundian@126.com

2014-08-20;

2014-09-03

TN216

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2015.02.007