一种低温探针台红外焦平面探测器测试系统信号调理系统

李腾飞，彭晶，孟超

（中国空空导弹研究院，河南 洛阳 471000）

0 引言

焦平面芯片组件是红外探测器的重要组成部分[1]，快速、准确地评估红外焦平面阵列的性能，对于提升探测器的整体性能具有重要意义。制冷型红外焦平面探测器芯片的响应测试需建立液氮温度的低温环境[2]，目前国内针对制冷型探测器芯片低温入检及筛选都是通过金属杜瓦进行测试，存在成本高、装配复杂和效率低的缺点，同时对芯片结构会造成一定损坏。

低温探针台是能够在低温环境下对精密器件进行可靠性检测的重要测试设备[3]。采用低温探针台开发专用于制冷型红外焦平面探测器的测试系统，对电路及芯片组件入检和筛选，高效筛选出不合格组件，节省探测器的封装成本。

图1为基于低温探针台的红外焦平面测试系统原理图。低温探针台提供探针与被测芯片的接触平台，保证探针与被测芯片的精确接触，同时提供芯片工作的低温和真空环境。脉冲发生器和偏置电源在工控机控制下经信号调理电路为芯片提供时序脉冲和偏置电压，探测器芯片输出模拟信号，经信号调理后转换输出高速数采卡所需信号，该信号需经偏移、衰减和滤波等处理，高速数采卡对信号进行模数转换后传输至工控机，在工控机上进行数据处理、数据分析和图形显示等工作[4]。

图1 低温探针台测试系统结构图

信号调理电路属于低温探针台红外焦平面探测器测试系统的关键部件，性能好坏直接决定系统测试精度。当信号调理电路噪声较大时，系统的探测灵敏度会降低，最终导致图像分辨率下降。开发低噪声信号调理电路对于提供系统性能具有重要意义，本文旨在开发一种符合上述要求的信号调理电路。

1 总体方案

信号调理电路的功能为将探测器输出的电压信号转换成红外焦平面测试系统采集所需信号。红外焦平面测试系统使用的高速采集卡为PXI9846D（凌华公司），其性能为：带宽大于40MHz，输入阻抗50Ω、输入电压范围±1V时，RMS噪声为5.0个LSB。

探测器芯片输出响应信号电压范围为0～5V，需经调理电路对信号进行偏移、衰减和滤波处理，满足采集卡的输入电压范围[5]。信号调理电路由低噪声高稳定偏置电源、低噪声多路差分放大器和A/D适配模块构成，总体方案如图2所示。探测器输出响应电压信号为0～5V，驱动能力弱，为能够获取完整的探测器输出信号，首先通过一级电压跟随电路；之后通过分压电路将0～5V电压信号转换成0～2V；接着第二级运放采用减法器形式，将输入信号和2V参考电压做减法，实现将0～2V信号变换为-2～2V的信号；第三级运放采用二阶有源低通滤波器形式，最后通过分压电路将-2～2V转换为-1～1V。

图2 探测器输出信号调理电路总体方案

信号调理电路如图3，该电路由四级运放组成：第一级电路实现输入信号跟随功能，具有较大的输入阻抗，能够无损的采集探测器输出信号，R1和C1构成低通滤波器，减少输入信号的干扰[6]。在第一级和第二级放大电路之间是信号分压电路，通过R4和R6对信号进行分压，将0～5V电压信号变为0～2V电压信号；第二级电路是为减法器，将0～2V电压信号变为-2～2V电压信号，运算公式为Uout=2*Uin-Uref,通过R3和R5将基准电压5V衰减为2V的参考电压；通过第三级和第四级电路组成了SallyKey二阶有源低通滤波器，带宽约为25MHz到27MHz之间。通过R11和R12对信号进行分压，将-2～2V电压信号变为-1～1V电压信号。

图3 信号调理电路原理图

系统底噪和焦平面探测器的输出性能与偏置电源紧密相关，而传统电源一般只能达到1%的最优稳定度，而且其噪声与开关电路相关联[7]。为得到低噪声的输出偏置电源，本方案采用DA+PA的模式实现所需偏置电源（图4），使用低噪声的功率放大器，利用其优秀的PSRR性能(一般能达到60dB)可将供电电源的噪声由100mV降为200uV。为获得高的稳定度，设计时使用高稳基准（1ppm）作为DA（14bit）电路的参考源，可使其输出纹波达到小于1mV。

2 测试结果分析与讨论

2.1 信号调理电路性能验证

用某128x128阵列芯片的输出（常温条件）作为信号调理电路的输入信号，输出信号电压范围0～5V，信号频率为5MHz。信号调理电路的输出信号，输出信号的电压为-1～1V，经测试，输入信号下降沿115ns,输出信号下降沿120ns，信号完整不失真，满足设计要求。

2.2 信号调理电路与整机进行系统测试

后续同一芯片组件分别使用不同测试设备进行验证。图5（a）为使用法国某系统对杜瓦器件测试坏元图，图5（b）为使用低温探针台测试系统坏元图，坏元对比较为一致。

图5 坏元图测试对比

3 结语

开发了一种用于低温探针台红外焦平面探测器测试系统的信号调理电路，信号调理电路可将探测器输输出电压0～5V转换为-1～1V。经测试，频率5MHz锯齿波信号，输入信号下降沿115ns,输出信号下降沿120ns，信号完整不失真，达到设计要求；将信号调理电路应用于测试系统，与法国某系统测试杜瓦器件坏元图对比，坏元分布数量较为一致，可以满足红外焦平面测试系统需求。