一种测量非制冷红外焦平面探测器供电偏压噪声的方法

白龙温, 贾 铭

(1.天津机电职业技术学院, 天津 300350; 2.河北工业大学, 天津 300401)

0 引言

近年来，随着红外成像技术的飞速发展，非制冷红外焦平面阵列(Uncooled Infrared Focal Plane Array，UIRFPA)具有价格低廉、体积小、功耗低、可靠性高等优点，在国防、医疗、工业、防火等领域发展十分迅猛[1-3]。

通用的UIRFPA读出电路基本构造如图1所示。

RACTIVE为像元敏感元电阻，其接收红外辐射并发生阻值改变，Cint为积分电容，Iint为积分电流，偏置电压为VGFID和VGSK，该偏置电压直接参与读出电路的积分过程，影响探测器的信号输出。因此为保证非制冷红外焦平面的工作性能，通过设计合理的偏置电路提供偏置电压，并保证偏压的低噪声特性将显得极其重要[3,4]。

本文以Ulis公司PICO384探测器要求的偏置电压噪声为例进行设计，其要求的噪声指标如图2所示。

图1 读出电路基本构造

图2 PICO384探测器要求的偏置电压噪声

一般传统电路设计中偏置电压均由低噪声的LDO或者运算放大器提供[5]，噪声为μV级别，无法直接使用示波器测量。因此本文提出一种测量偏置电压上微小噪声的方法，可将μV级噪声分频段放大，并且构造的各频段的放大器电路本身不会引入过大的噪声，从而保证噪声测量结果的准确性。通过该方法分析各频段噪声测量结果，确定偏置电路各频段的噪声大小是否超标，并进行针对性改进，对工程开发具有重要的意义。

1 基本结构

根据PICO384要求的偏压噪声指标，本文设计的放大倍数为105，将噪声信号从0.1 μV放大到10 mV水平，即可通过示波器或者采样设备直接进行观察分析。

系统基本结构如图3所示。

图3 系统基本结构

输入噪声源通过屏蔽线缆接入金属屏蔽壳内，屏蔽壳内由低噪声放大器和带通滤波器搭建核心放大电路，电池为屏蔽壳内电路供电。放大后的噪声信号由屏蔽线缆输出。

由于运算放大器性能限制，无法同时兼顾闪烁噪声和宽带噪声小、增益带宽积大等要求，因此分频段选择性能参数合适的运算放大器构造放大电路[6]，最后将各频段分别放大的噪声有效值叠加得出总噪声。

结合图2综合考虑，将放大电路按照信号频率分成四组，放大电路结构见图4，分别由一级放大电路和具有放大倍数的带通滤波器构成，其中一级放大电路的噪声水平决定着整个系统的噪声水平。

图4 四个频段的放大电路结构

1.1 0.1 Hz～10 Hz频段放大电路和带通滤波电路的设计

该组放大滤波电路的设计带宽为0.1 Hz～10 Hz，一级放大电路引入的噪声主要为运算放大器的闪烁噪声。

噪声信号通过C1和R2组成截止频率为0.1 Hz的高通滤波电路，并经同相放大电路放大1 000倍。

图5作为放大电路第一级，该放大电路决定着整个系统的噪声水平。

图5 0.1 Hz截止频率的高通滤波和同相放大电路

运算放大器的偏置电压VIO、偏置电流IIB、失调电流IIO引起的运放偏置输出电压如公式(1)所示。

(1)

为避免运放输出饱和，VIO、IIB和IIO需尽量小。

综合考虑运放的闪烁噪声水平，选用ADI公司的双通道精密运算放大器AD8676，其闪烁噪声为0.1 μVpp，该运放的VIO=50 μV，IIB=±2 nA，IIO=±1 nA，因此造成的偏置输出电压的最大值为VO=88 mV，不会引起输出电压截止，是可以接受的。

1 000倍放大后的噪声信号依次通过截止频率为0.1 Hz的多反馈拓扑(sallen-key)高通滤波器和截止频率为10 Hz的2个2阶多反馈(MFB)低通滤波器，滤波器设计为通带内相应最为平坦的Butterworth型。三个滤波器依次具有10倍、10倍和1倍增益，其级联成具有低噪声、精确截止频率和精确增益的带通滤波器[7,8]，电路设计如图6所示。

图6 带宽为0.1 Hz～10 Hz的级联滤波器

1.2 10 Hz～1 kHz频段放大电路和带通滤波电路的设计

该组放大滤波电路的带宽为10 Hz～1 kHz，一级放大电路引入的噪声主要为运放的宽带噪声。

噪声信号通过C1和R2组成截止频率为10 Hz的高通滤波电路，并经同相放大电路放大1 000倍。高通滤波电路和同相放大电路如图7，带通滤波器的设计如图8，运放仍选用ADI公司的AD8676。

图7 10 Hz截止频率的高通滤波和同相放大电路

放大后噪声信号依次通过截止频率为10 Hz的多反馈拓扑(sallen-key)高通滤波器和截止频率为1 kHz的2个2阶多反馈(MFB)低通滤波器，滤波器设计为通带内相应最为平坦的Butterworth型。三个滤波器依次具有10倍、10倍和1倍增益构成级联滤波器，电路设计如图8所示。

图8 带宽为10 Hz～1 kHz的级联滤波器

1.3 1 kHz～10 kHz频段放大电路和带通滤波电路的设计

该组放大滤波电路的带宽为1 kHz～10 kHz，一级放大电路引入的噪声主要为运放的宽带噪声，由于通过信号的频率较高，还要考虑运放的增益带宽积等参数。

噪声信号通过C1和R2组成截止频率为1 kHz的高通滤波电路，并经同相放大电路放大1 000倍。高通滤波电路和同相放大电路如图9，带通滤波器的设计如图10。

图9 1 kHz截止频率的高通滤波和同相放大电路

带通滤波器设计为截止频率为1 kHz的多反馈拓扑(sallen-key)高通滤波器和截止频率为10 kHz的2个2阶多反馈(MFB)低通滤波器，滤波器设计为通带内相应最为平坦的Butterworth型。三个滤波器依次具有10倍、10倍和1倍增益。

图10 带宽为1 kHz～10 kHz的级联滤波器

1.4 10 kHz～100 kHz频段放大电路和带通滤波电路的设计

该组放大滤波电路的带宽为10 kHz～100 kHz，一级放大电路引入的噪声主要为运放的宽带噪声，同时考虑运放的增益带宽积等参数。

噪声信号通过C1和R2组成截止频率为10 kHz的高通滤波电路，并经同相放大电路放大1 000倍。高通滤波电路和同相放大电路如图11，带通滤波器的设计如图12，运放仍选用ADI公司的ADA4895。

带通滤波器设计为截止频率为10 kHz的多反馈拓扑(sallen-key)高通滤波器和截止频率为100 kHz的2个2阶多反馈(MFB)低通滤波器，滤波器设计为Butterworth型。三个滤波器依次具有10倍、10倍和1倍增益。

图11 10 kHz截止频率的高通滤波和同相放大电路

图12 带宽为10 kHz～100 kHz的级联滤波器

2 仿真结果及分析

进行放大电路的稳定性、滤波特性和噪声分析至关重要，稳定性和滤波特性涉及方案的硬件实现，而噪声特性则直接关系到方案的性能指标。本文采用TINA 9.0 Spice仿真软件进行仿真验证，运算放大器等主要器件的Spice模型来自厂家的官方网站下载。

2.1 一级放大电路稳定性和带宽滤波特性仿真分析

分别仿真四个频段的一级放大电路的闭环增益波德图，对应放大电路的闭环相位裕度分析汇总如表1所示。四个频段一级放大电路的闭环相位裕度均大于45°，说明放大电路是稳定工作的，不会发生输出振荡。

表1 四个频段一级放大电路闭环相位裕度仿真分析汇总

分别仿真四个频段下带通滤波器电路的滤波特性，汇总如图13所示。

a线段表示下限截止频率，b线段表示上限截止频率，发现滤波器的增益在下限截止频率以下的频率段以40 dB/dec衰减，而在上限截止频率以上的频率段以80 dB/dec衰减，说明四个频段的带通滤波器设计满足指标要求。

图13 四个频段放大电路和带通滤波电路的滤波特性

2.2 系统输出噪声仿真分析

根据图2探测器偏压要求的噪声指标经放大105后，可得出表2数值。

表2 探测器偏压要求的噪声有效值

仿真得出四个频段电路的整体噪声水平，并将各个频段噪声有效值叠加后如表3所示。

表3 仿真噪声有效值

在0～1 kHz、0～10 kHz和0～100 kHz三个频段下放大电路引入的噪声仅为探测器偏压要求噪声有效值的1/20，因此不会影响测量的准确性。

3 结论

本文提出了一种分频段测量UIRFPA偏压微小噪声的方法，并设计各频段下核心的放大和滤波器电路，提出了系统实现的基本结构，最后通过电路的仿真分析，验证电路稳定性、带通频率、噪声水平均符合设计要求。本方法可作为测量偏置电压电路的噪声水平是否满足UIRFPA要求的噪声指标的一种通用手段，同时本方法可推广至其他微小信号测量的场所，具有较高的实际应用价值。