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【摘 要】驱动与信号处理电路是红外成像系统的重要组成部分,高质量的电路有利于系统获得高信噪比.针对制冷型红外探测器电学接口特点,成像电路架构采用焦面电路和信号处理电路,基于电路架构,设计出高集成度、低噪声的驱动与信号处理电路,给出部分仿真结果和电路噪声估算方法.介绍了一种软硬结合的降噪方法,最后给出了电路核心指标噪声的测试方法和具体噪声值.
【期刊名称】《红外技术》母亲节祝福语简短10字
【年(卷),期】2016(038)007
【总页数】5页(P556-560)
【关键词】制冷型红外探测器;电路噪声;电源与偏置电压;时序驱动;模拟信号处理
【作 者】杨小乐;史漫丽;凌龙
【作者单位】北京空间机电研究所,北京100094;北京空间机电研究所,北京100094;北京空间机电研究所,北京100094
【正文语种】she成员名字中 文
【中图分类】TN215开心麻花的老板是谁
红外成像系统是一种可探测目标红外辐射，通过光电转换、电信号处理等手段，将目标物体的温度分布转换成图像的系统。红外探测器是成像系统的核心，为发挥探测器的最佳性能，需要低噪声的成像电路。电路主要是为探测器提供电源与偏置电压、时序信号，同时对模拟输出信号进行调理、模数转换。目前的文献中对红外图像处理技术介绍的较多，详细研究具体电路的文献较少，本文围绕制冷型红外探测器的特点，从电路顶层架构出发，设计出高集成度，低噪声的驱动与信号处理电路，给出了仿真结果和实际噪声测试结果，并且提出了一种软硬相结合的系统降噪方法。
制冷型红外探测器典型电学接口信号有3类，电源与偏置电压，时序信号，模拟输出信号。
电源和偏置电压噪声要求高，其中Gpol电压（RMS噪声要求小于100mV）是直接注入（DI）
型探测器输入级控制电压，如图1，它控制Mi为注入管，光生电流通过注入管在电容上积分，其质量直接影响探测器的输出噪声[1-3]。
VR_PIX和SUBPV电压是电容反馈负导放大器（CTIA）型探测器输入级控制电压。如图2，该结构可以获得接近100%的注入效率，适合小信号探测[2-3]。2个电压噪声水平直接决定探测器噪声水平。
时序信号主要有时钟、积分控制、串口控制等，时序信号主要考虑信号间相位关系，例如积分控制信号必须在时钟上升沿±1/4周期内改变状态，并且在此时间外保持稳定，无毛刺。
模拟输出信号特点是输出阻抗大，驱动能力弱，模拟输出典型负载由一个R≥100kW的电阻与一个C≤10pF电容并联组成。
掌握以上探测器典型电接口特点，是设计高质量成像电路的前提。
制冷型红外探测器采用真空杜瓦封装，通过陶瓷引线环将电学信号引出，电路构架采用焦面电路和信号处理电路，如图3。焦面电路安装在杜瓦上。如果杜瓦附近有足够的空间，并
且能够保证焦面电路的力学性能，应尽可能的将电路放置在焦面电路上，避免信号的长距离传输。本文因焦面位置空间有限，焦面电路主要完成探测器电源与偏压产生和滤波、时序信号整形驱动，模拟信号阻抗变换和单端转差分处理等功能，信号处理电路主要完成时序产生与驱动，模拟信号调理与模数转换，图像处理以及输出等功能。
电源与偏置电压电路是成像电路的关键，直接影响探测器的性能。本文对Gpol或者VR_PIX和SUBPV采用电压基准源供电，选用的电压基准源有较小的低频噪声、温度漂移、时间漂移等保证稳定度和噪声要求[1,4-6]。选用AD580-2.5电压参考源，它提供标准2.5V电压基准，温度稳定性可以达到10ppm/℃，1Hz～1MHz峰峰值噪声为600mV，但其噪声不能满足要求，为此增加RC滤波，滤除高频噪声，滤波频率1/RC控制在1kHz以下，噪声衰减24倍。为了减少电容的体积，尽量选用大的电阻，例如选择100K电阻，因为滤波串入电阻，所以本身驱动能力只有10mA的AD580带载能力更弱，同时考虑这类电压要求具有一定的可调范围，因此选用电压基准源＋运放的方案，如图4。Gpol或者VR_PIX和SUBPV供电噪声为运放与电压基准源噪声之和，运放要选择窄带、低噪声电压、温度漂移系数低的运算放大器，本文推荐选用AD822，输入阻抗为10MW，远远大于100K。
对于噪声要求相对较低，驱动能力要求较高的探测器模拟电源VDDA、数字电源VDDD，采用精密电压基准源与运放＋三极管配合方案，通过三极管增加驱动能力，典型电路如图5。
时序信号由信号处理电路FPGA产生，采用54AC245TTL总线驱动器增加信号驱动能力，同时为了避免信号远距离传输，信号质量下降，在焦面电路放置施密特触发器54HC14进行信号整形。
驱动时序采用无空闲时间的最优时序，驱动频率最小，小的驱动频率有利于探测器内部读出电路获得最佳性能，同时也有利于探测器输出信号采样，更有利于采用多路选择开关＋AD的信号处理方案，降低多路开关的速率要求。
探测器在驱动时钟的上升沿输出模拟信号，但是需要约半个时钟周期的建立过程，信号在驱动时钟的后半周平坦，因此要根据实际情况，通过FPGA调整采样时钟相位，获得最佳采样结果。
探测器输出模拟信号叠加在一个直流电平上，目前有交流耦合和直流耦合两种处理方式。
交流耦合加直流恢复如图6，直流恢复在恢复直流电平的同时，抑制了放大器的温度漂移，但为保证精度，隔直电容和箝位电容会很大，并且受限于交流耦合电路低端频率带宽。
直流耦合电路形式简单，但无法抑制探测器输出的温漂以及运算放大器的温漂。目前二代红外探测器整个读出电路都工作在低温区，温漂很小，慢变的温漂可通过非均匀性校正电路进行实时校正，本文采用直流耦合。
探测器的输出阻抗大，需要进行阻抗变换，以便后续电路处理。阻抗变换采用跟随电路，并且在探测器与跟随电路间加入一阶低通RC滤波器[1]，降低探测器输出噪声。低通滤波的截止频率设为探测器输出频率的3～5倍。阻抗变换电路位于信号处理链路中的最前端，必须选择低噪声、低温度漂移系数的运放，以降低经后级放大后的噪声和漂移量对有用信号的影响，同时尽量靠近探测器输出端，以减小布线中的寄生电容[7]，本文选用OP15放大器。
AD器件放在焦面电路上，模拟信号处理电路采用图7的形式，信号阻抗变换后直接进入AD转换器，尽可能降低信号的传输路径，如果选择单端AD，图中差分运放A2去掉即可。因焦面空间有限，焦面电路与信号处理电路距离约2m，采用图8形式，AD器件放置在信号处
理电路。
焦面电路与信号处理电路通过柔性PCB连接，焦面电路上的差分运放实现单端到差分的转换，信号处理电路上的差分运放实现信号的进一步调理，已滤除传输中引入的噪声。采用差分信号传输，抗干扰能力强，外接共模噪声几乎可以完全抵消，对外辐射的电磁场相互抵消，能有效的抑制EMI，差分信号的开关变化位于两个信号的交点，时序定位精确[4-5,8]。在差分放大电路的同相和反相输入端加入共模噪声，共模抑制仿真结果如图9。
差分放大电路往往采用双运放，一个是跟随器，另一个是增益为1的反向放大器，占用运放多，推荐使用ADI差分放大器AD813x。AD813x差分放大器可以是差分输入，也可以是单端输入，可以实现单端信号到差分信号的转换，它的输出平衡度由本身特性决定，而不依赖于反馈网络电阻，输出差分信号的共模电平可以由输入管脚Vcom简单设置。
为减少高频信号的反射和振铃效应，在A/D输出的数字信号中串入33W电阻[6]。
成像电路的噪声主要由模拟信号处理链路决定，模拟信号处理链路主要由运放与AD器件组成。运放的噪声电压计算如式(1)：
式中：En为运放的等效输入噪声电压；In为运放的等效输入噪声电流；RS为源阻抗；Et为源电阻的热噪声。
En和In可以用式(2)、式(3)估算：
式中：en为等效输入噪声的电压密度，nV×Hz－1/2；in为等效输入噪声的电流密度，pA×Hz－1/2。
源电阻热噪声按式(4)估算，其中K＝1.38×10－23：
阻抗变换运放OP15，经计算噪声为129.63mV。差分运算放大器AD813x采用ADI公司的仿真计算工具，得到其噪声为149.9mV。A/D的噪声很多教科书上都按照最小量化分层LSB/121/2进行计算，这是认为量化噪声在±LSB/2内随机分布，取其标准差。本文推荐按照最小LSB估算A/D噪声，AD的输入量程除以信噪比，噪声为338.1mV。认为级联的模拟链路中各单元噪声互不相关，模拟链路的噪声Vn总为391.8mV，如式(5)[9-10]：
红外探测器的驱动频率较低，最大为5MHz，而AD器件的采样频率高达几十兆。在探测器输出平坦区上叠加了很多随机噪声，可以采用多次采样滤波的方法降低噪声、提高信噪比，梳头发
多次采样滤波技术其原理如图10，其认为探测器噪声时域分布特性是随机的、不相关的，且服从泊松分布，在探测器输出的平坦区利用AD的高采样频率对一像元进行m次采样，将采样得到的信号数字化之后取均值作为输出的信号。理论经过m次采样滤波后，信噪比能够提高m1/2倍。探测器主时钟以及AD时钟的相位要通过PLL锁定，防止温度漂移等因素造成AD时钟采样位置偏移，造成采样结果错误。
南人不复反矣红外成像系统的噪声有时间噪声与空间噪声，空间噪声可以通过校正算法尽可能的降低，将时间噪声视为系统噪声，即连续采集N帧图像，计算出每一个探测像元的时间噪声，然后平均每个像元的时间噪声视为系统噪声[1]。
实际测试电路的噪声，因探测器输出范围是1.6～4.4V，测试方法是将焦面电路的输入端接入2节串联的干电池，通过采集经过模拟信号处理链路后的图像计算噪声，计算结果整个电路的噪声为520mV，采用8次采样滤波，整个电路的噪声为350mV，电路噪声明显降低。理论分析电路噪声为391.8mV，实际测试偏大，这主要是与实际电路设计中的PCB具体设计、接地设计，供电电源品质等因素有关。
制冷型红外探测器主要电学接口信号有电源与偏置电压、时序信号和模拟输出信号，驱动
与信号处理电路中任何一个环节，都会影响最终成像性能。本文从成像电路的架构出发，通过电压基准源与运放产生高质量的偏置电压，通过驱动与整形芯片产生高质量的时序信号，通过阻抗变换电路和差分放大器构成模拟信号处理电路，并且给出了具体电路设计和噪声分析方法。电路实测噪声仅有520mV，通过多次采样滤波技术，噪声进一步降低，成像质量得到明显改善。
【相关文献】
[1] 谢宝蓉, 傅雨田, 张滢清. 480×6长波红外探测器的低噪声采集系统设计[J].激光与红外, 2009, 39(11): 1177-1182.
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