紅外探測(cè)器驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)研究

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1紅外探測(cè)器驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

1.1概述

紅外探測(cè)器驅(qū)動(dòng)電路為紅外探測(cè)器(以下簡(jiǎn)稱“探測(cè)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(duì)探測(cè)器模擬信號(hào)的讀取和預(yù)處理。

1.2探測(cè)器驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

1.2.1探測(cè)器供電設(shè)計(jì)探測(cè)器所需的三個(gè)供電電源分別為VDDA、VDDO和VDDD?？臻g環(huán)境對(duì)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(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(cè)器供電。探測(cè)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1.4mV，滿足探測(cè)器使用要求，同時(shí)該芯片輸出電流可達(dá)1.5A，

1.2.2探測(cè)器偏置電壓設(shè)計(jì)探測(cè)器有7個(gè)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(duì)噪聲非常敏感，輸入電壓的波動(dòng)會(huì)給探測(cè)器輸出信號(hào)帶來較大影響。為了保證探測(cè)器輸出信號(hào)的穩(wěn)定，須保證探測(cè)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10Hz～10MHz帶寬內(nèi)噪聲均方根為60μV，可滿足探測(cè)器對(duì)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(cè)器使用。

1.2.3探測(cè)器輸出信號(hào)阻抗匹配設(shè)計(jì)探測(cè)器輸出模擬信號(hào)的典型負(fù)載要求為:R≥100kΩ，C≤10pF。在設(shè)計(jì)時(shí)，選取的運(yùn)放(AD843)輸入阻抗可達(dá)1010Ω，輸入電容為6pF，可滿足探測(cè)器的負(fù)載要求。

1.2.4中心電平平移及差分傳輸設(shè)計(jì)探測(cè)器輸出信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍為1.7～4.2V，中心電平為2.95V，而A/D芯片對(duì)輸入信號(hào)中心電平的要求為0V。為了滿足A/D芯片對(duì)輸入信號(hào)的要求，在驅(qū)動(dòng)電路上對(duì)探測(cè)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(duì)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)。

1.3低噪聲設(shè)計(jì)與改進(jìn)

為了對(duì)設(shè)計(jì)的電路性能進(jìn)行評(píng)估，使用數(shù)據(jù)采集軟件采集探測(cè)器輸出的信號(hào)并通過MATLAB對(duì)其進(jìn)行分析。探測(cè)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7.3mV)。此時(shí)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(cè)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(cè)得此時(shí)DN值波動(dòng)約7個(gè)(幅值為3.4mV)，為了降低噪聲，在探測(cè)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(cè)得此時(shí)DN值波動(dòng)約7個(gè)(幅值為3.4mV)

1.4空間環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)

1.4.1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(cè)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(duì)元器件的參數(shù)進(jìn)行了降額設(shè)計(jì)。

1.4.2抗單粒子鎖定設(shè)計(jì)探測(cè)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)。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，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。

1.5性能檢測(cè)

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(cè)器驅(qū)動(dòng)電路和某型探測(cè)器驅(qū)動(dòng)電路采集黑體圖像數(shù)據(jù)并分析。在國產(chǎn)探測(cè)器均勻性、一致性與進(jìn)口探測(cè)器有一定差距的情況下，通過改進(jìn)探測(cè)器驅(qū)動(dòng)電路，最終在性能指標(biāo)上趕超了某型探測(cè)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(cè)器驅(qū)動(dòng)電路工作穩(wěn)定、可靠，可滿足空間要求。

2總結(jié)

本文設(shè)計(jì)的探測(cè)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。

作者：張鈺 鄧希寧 高旭輝 單位：華北光電技術(shù)研究所