紅外探測器驅動電路設計研究

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1紅外探測器驅動電路設計

1.1概述

紅外探測器驅動電路為紅外探測器(以下簡稱“探測器”)工作提供必須的工作電源、偏置電壓、時序電路等，同時完成對探測器模擬信號的讀取和預處理。

1.2探測器驅動電路設計

1.2.1探測器供電設計探測器所需的三個供電電源分別為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，為了減小電源的輸出波動和開關帶來的噪聲，采用體積小、重量輕、抗干擾性強的LDO(MSK5101)直接給探測器供電。探測器驅動電路工作溫度范圍為－20～+50℃，此范圍內(nèi)該LDO溫漂為1.4mV，滿足探測器使用要求，同時該芯片輸出電流可達1.5A，

1.2.2探測器偏置電壓設計探測器有7個直流偏置電壓，分別為GPOL(0.5～2V)、VPD(1.7～4.2V)、3.1V外部偏置(VR、VREF、VSREF)、2.5V外部偏置(VSWSREF、AJTREF)。這些偏置電壓對噪聲非常敏感，輸入電壓的波動會給探測器輸出信號帶來較大影響。為了保證探測器輸出信號的穩(wěn)定，須保證探測器偏置電壓的穩(wěn)定，同時盡量減小噪聲。設計時，選用低噪聲、低電壓調整率的LDO產(chǎn)生一個穩(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。為了增大驅動能力，同時起到隔離作用，將電壓V2通過低噪聲、高共模抑制比的運算放大器AD843(該運放在10Hz～10MHz帶寬內(nèi)噪聲均方根為60μV，可滿足探測器對偏置電壓噪聲均方根的要求)進行緩沖，得到電壓V3供探測器使用。

1.2.3探測器輸出信號阻抗匹配設計探測器輸出模擬信號的典型負載要求為:R≥100kΩ，C≤10pF。在設計時，選取的運放(AD843)輸入阻抗可達1010Ω，輸入電容為6pF，可滿足探測器的負載要求。

1.2.4中心電平平移及差分傳輸設計探測器輸出信號動態(tài)范圍為1.7～4.2V，中心電平為2.95V，而A/D芯片對輸入信號中心電平的要求為0V。為了滿足A/D芯片對輸入信號的要求，在驅動電路上對探測器輸出信號進行中心電平平移。紅外信號屬于小信號，易受到復雜的空間干擾影響，這種影響對于單端信號影響較大。當采用差分電路設計時，正負兩路信號會受到相同的影響，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計。

1.3低噪聲設計與改進

為了對設計的電路性能進行評估，使用數(shù)據(jù)采集軟件采集探測器輸出的信號并通過MATLAB對其進行分析。探測器驅動電路與系統(tǒng)聯(lián)調，采集35℃時黑體數(shù)據(jù)并分析，發(fā)現(xiàn)約有15個DN值波動(幅值為7.3mV)。此時系統(tǒng)數(shù)字噪聲均方根為2.7mV，NETD為65mK。為了降低噪聲，在探測器驅動電路的供電入口、信號傳輸?shù)年P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DN值波動約7個(幅值為3.4mV)，為了降低噪聲，在探測器驅動電路的供電入口、信號傳輸?shù)年P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DN值波動約7個(幅值為3.4mV)

1.4空間環(huán)境適應性設計

1.4.1降額設計降額是使元器件使用中的應力低于其額定值，以達到延緩參數(shù)退化，提高使用可靠性的目的。探測器驅動電路工作于空間環(huán)境中，為了保證其安全性和可靠性，在設計過程中對元器件的參數(shù)進行了降額設計。

1.4.2抗單粒子鎖定設計探測器驅動電路工作于空間環(huán)境中，CMOS器件中的晶體管結構很容易受到空間高能粒子沖擊，進而引發(fā)單粒子鎖定效應(SEL)。發(fā)生SEL后，CMOS器件鎖定區(qū)的電流將會大幅度增加，形成SEL異常大電流，進而影響電路的正常工作。為了防止SEL的發(fā)生，在電路設計時采取以下措施:

a)運放芯片(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;通過降額設計與抗單粒子鎖定設計，保證了驅動電路工作的可靠性和空間環(huán)境適應性。

1.5性能檢測

保持相同的光學、擺鏡和數(shù)據(jù)采集設備，分別使用本文設計的探測器驅動電路和某型探測器驅動電路采集黑體圖像數(shù)據(jù)并分析。在國產(chǎn)探測器均勻性、一致性與進口探測器有一定差距的情況下，通過改進探測器驅動電路，最終在性能指標上趕超了某型探測器驅動電路。證明該方案設計實用、有效。通過與系統(tǒng)聯(lián)調，該探測器驅動電路工作穩(wěn)定、可靠，可滿足空間要求。

2總結

本文設計的探測器驅動電路，以空間應用為出發(fā)點，在滿足性能指標的要求下，考慮了電路的空間環(huán)境適應性。通過與系統(tǒng)聯(lián)調，證明該設計穩(wěn)定、可靠，滿足空間使用需求。

作者：張鈺 鄧希寧 高旭輝 單位：華北光電技術研究所