一种红外焦平面探测器驱动电路的设计与实现

李 娟，李进武，刘泽巍，石 纲，孙玉杰

(华北光电技术研究所，北京100015)

1 引言

随着红外技术的发展，红外焦平面探测器的应用变得越来越广泛。不同应用背景条件下，需研制性能与之相匹配的探测器。红外焦平面探测器的筛选，需要专用的测试系统，图1给出了红外焦平面测试系统框图。驱动电路作为测试系统中的一个基础模块，在整个测试系统中发挥着重要的作用。它为探测器提供所需的偏置电压和时序逻辑信号，同时接收探测器的输出，传输到信号采集系统，并为采集系统提供同步信号。红外焦平面探测器小体积、轻型化、低功耗(SWaP)的需求使得对于驱动电路的要求进一步增加，驱动电路在能够提供基本信号的情况下，要求稳定性高、体积小、重量轻、易操作等。针对原有驱动电路噪声高、通用性及可控性低的缺陷，设计了一款新的红外焦平面探测器驱动电路，能够满足单路、双路、四路、八路、十六路输出的多路输出探测器使用，并且适用于多家公司测试系统中。

图1 红外焦平面测试系统框图

2 驱动电路设计

红外焦平面探测器芯片由光敏芯片和读出电路构成［1］，读出电路属于数模混合集成电路，其工作需要由外部提供数字时序逻辑信号和偏置电压。驱动电路不仅能够提供这些时序逻辑信号和偏置电压，它还将探测器的输出信号进行调理后传递给采集卡，由采集卡完成信号的采集。下面分别从驱动电路的偏置电压部分、时序逻辑电路部分、信号输出部分三个方面对驱动电路作以介绍。

2．1 偏置电压部分

红外探测器阵列一般工作在负偏压情况下(零偏也可以)［2］。图2和图3给出了两种典型读出电路输入级电路结构。其中，图2输入电路的探测器偏压由VDIG和VDET确定，即V反=VDIG－VT－VDET，图3输入电路的偏压为V反=Vref－Vdet，，这样就可以达到调整探测器偏压的目的。同时，电路中其他部分也需要直流偏置，如复位电压VRST、放大器内部的偏置等等。这些偏置电压一般都在0 V～VDD之间。

图2 DI输入电路

图3 CTIA输入电路

驱动电路的偏置电压产生电路为探测器提供这些偏置电压。红外探测器需要正常工作，必须提供合适的偏置电压，这些电压的精度和噪声决定了焦平面探测信号的精度和噪声［3］。

偏置电路的设计需与配套的测试系统相结合，HGH以及PI测试系统内部提供了多路偏置电压，完全能够满足实际的需求。为了保证输入探测器中偏置电压的稳定性，以及降低输入噪声、提高带载能力，设计了二阶巴特沃思滤波电路与运算放大器相结合的方式。巴特沃思滤波电路相较于一般的单元级联电路，更接近于理想滤波器，具有更好的滤波特性。其电路结构图如图4所示。运放芯片选用TL071C芯片，该芯片是具有低噪声的单位增益运算放大器，输入噪声电压为输入电流1．4 mA，增益带宽能达到4．0 MHz。将其与巴特沃思滤波电路相结合，设计成具有单位放大系数的偏压跟随电路，其具体电路结构如图5所示。

图4 二阶巴特沃思滤波电路

图5 偏置跟随电路

设计中，考虑到驱动电路的通用性，设计了11路偏置输出，以满足偏置电压较多的探测器应用。其中对于可调偏压Gpol，设计了两种可选方案，一种是由测试系统内发，外接BNC输入;一种是稳定电压芯片结合电位器提供。同时，考虑到系统内发信号上电不一致的情况，可能会对探测器造成损伤，在每路偏置前加入了继电器控制。

2．2 时序逻辑电路部分

以某探测器正常工作的时序图为例，如图6所示，需要驱动电路的时序逻辑电路部分为探测器提供主时钟MC和积分时间控制信号INT，读出电路的数字电路则根据这两个信号产生探测器读出的逻辑时序，探测器在此时序下，完成信号data的正确读出。同时，时序逻辑部分还需要产生与采集系统互通的同步信号来完成探测器输出信号的采集。

图6 探测器工作时序图

数字脉冲信号很容易引入高频噪声，设计采用了一阶低通滤波电路来滤除高频噪声和上升沿过冲现象。可以通过优化设计R和C的值来达到滤除相应频率的噪声。同时，考虑到驱动电路通用性的问题，设计了两种不同的脉冲输入方式:一种是由测试系统直供式的，采用BNC与驱动电路连接;另一种是外接脉冲信号转接板的方式，通过外部的FPGA或CPLD芯片来产生所需脉冲。同样，考虑到系统内发信号不一致对探测器造成损伤，在数字脉冲部分也增加了继电器控制。

2．3 信号输出部分

探测器在提供了合适的偏置电压和数字脉冲信号后，在读出电路的控制下，信号有规律的输出。从探测器直接输出的信号通常在0～5 V范围，而采集卡内AD采集范围通常为正负电压范围，因此输出信号需要经过一定的处理才能与之相匹配，继而被正确的采集和处理。根据探测器的输出信号以及采集卡的带宽分析，设计了如图7所示的信号输出运放电路。

图7 信号输出运放电路

考虑到低噪声设计要求，设计中选用LM6172运放芯片，它是具有双电源供电的双路运算放大器，带宽能够达到100 MHz，输入电流仅为2．3 mA，功耗低，输出电流50 mA，具有较高的带载能力，且噪声较小。设计中，考虑了测试过程中不同型号探测器对放大倍数要求的影响，可以改变R4、R3(R11、R18)的阻值，来满足输入输出信号不同正向放大倍数的要求。R5、R6、R9、R10(R14、R15、R16、R17)是阻抗匹配电阻，用来实现与后端采集卡的阻抗匹配，其值可根据实际负载及不同型号探测器的输出来进行选择。同时，R5、R6、R9、R10(R14、R15、R16、R17)是具有相同阻值的电阻。该设计能够消除电阻随机分布的离散性，使得阻抗匹配更加精确。

同时，考虑了驱动电路的通用性，设计了十六路信号输出电路，以满足不同探测器输出通道数不同的要求。

3 测试结果

为了验证该驱动电路的实际性能，选取同一种阵列规格为256×256的红外探测器，在此驱动电路和另一测试电路上进行了性能测试，并将测试结果进行比较，比较结果如图8及表1所示。

图8 成像对比图

表1 测试结果对比图

从上述测试结果可以看出，此电路板输出图像与原有驱动电路一致。探测器的噪声电压RMS降低了0．05 mV，平均噪声等效温差与平均黑体探测率均优于原有驱动电路，满足了驱动电路的设计要求。

4 结论

红外焦平面阵列的性能与系统的光学系统、驱动电路、信号采集处理电路以及图像处理算法紧密相关［4－5］。本文设计了一款红外焦平面探测器驱动电路，整体设计满足低噪声要求，同时具有通用性强、可控性高的优点。能够支持单路、双路、四路、八路、十六路等多种输出，适用于多种型号探测器的使用。目前已用于中波320×256、长波640×512等型号探测器筛选测试，同时，它可以在多个测试系统中使用。总之，此款驱动电路为今后红外焦平面探测器筛选提供了良好的测试保障。

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