非制冷紅外焦平面陣列器件的驅(qū)動電路設(shè)計(jì)

非制冷紅外探測器以及由多個(gè)敏感單元構(gòu)成的紅外焦平面陣列在軍事及民用領(lǐng)域受到越來越廣泛的關(guān)注。非制冷紅外探測器工作于室溫下，所以又稱之為室溫紅外探測器。

UFPA是非制冷紅外熱成像系統(tǒng)的核心，決定了系統(tǒng)的性能參數(shù)和成像質(zhì)量。為了進(jìn)一步提高UFPA的性能，除提高工藝水平外，還需設(shè)計(jì)高質(zhì)量低噪聲的驅(qū)動電路，使UFPA處于最佳工作狀態(tài)，以提高系統(tǒng)的成像品質(zhì)。

　　1 UFPA的結(jié)構(gòu)及工作原理

　　本電路采用的384×288像素非制冷紅外焦平面器件為ULIS公司生產(chǎn)的非晶硅微測輻射熱計(jì)UL03191，其主要由一個(gè)二維微測輻射熱計(jì)陣列(FPA)和一個(gè)內(nèi)部集成的熱電制冷器(17EC)組成，熱電制冷器通過對焦平面溫度的精確控制使焦平面獲得穩(wěn)定的工作溫度。ULO3191殼體外形緊湊，其像感面面積為9．6 mm×7．2 mm，重量≤25克，像元間距為25 μm，最高幀頻100 MHz，帶有一個(gè)模擬輸出和一個(gè)數(shù)字輸出。

　　UL03191采用脈沖電壓偏置，對紅外輻射進(jìn)行逐行積分，然后將目標(biāo)的紅外輻射轉(zhuǎn)換為電流信號；而讀出電路逐點(diǎn)讀出像素電流信號，并由讀出電路的電容反饋跨導(dǎo)放大器(CTIA)轉(zhuǎn)換為電壓信號，最終由多路復(fù)用器將經(jīng)過放大的信號逐行輸出。

　　2 UFPA的驅(qū)動電路設(shè)計(jì)

　　非制冷紅外探測器驅(qū)動電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是提供滿足探測器正常工作的幾個(gè)偏置電壓，提供MC、INT和RESET等時(shí)序脈沖，以及提供熱電穩(wěn)定器和溫度環(huán)控制的接口信號。

　　2．1 偏置電壓電路的設(shè)計(jì)

　　為了非制冷紅外焦平面陣列正常工作，驅(qū)動UFPA中的讀出電路，保證探測器熱電穩(wěn)定，并且使UFPA具有較大的動態(tài)范圍和較好的NETD性能，偏置電壓電路應(yīng)當(dāng)具有結(jié)構(gòu)緊湊，性能穩(wěn)定、精度高、保護(hù)措施嚴(yán)密等特點(diǎn)。

　　本方案采用多片LTl761-5、LTl761-3．3分別得到5 V、3．3 V；用LTl761-2．8得到VBUS所需的2．8 V電壓；GFID，VSK，GSK均采用LTl-761通過分流電阻獲得各自所需電壓值。

　　2．2 脈沖電壓信號驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)

　　探測器工作所涉及的時(shí)序不只一個(gè)，幾個(gè)時(shí)序要求同步，所以最理想的方法就是用一個(gè)晶振源通過可編程邏輯器件產(chǎn)生所需的時(shí)序脈沖。

　　(1)MC(Master Clock)是對整個(gè)器件進(jìn)行操作的基礎(chǔ)，所有操作都在MC的控制下協(xié)作統(tǒng)一。MC控制寄存器進(jìn)行像素尋址。MC的頻率不能高于384×288 MHz，且其占空比為50％。MC的上升和下降時(shí)間需低于lO ns。

　　(2)積分脈沖INT(Integration Phase)是使ULO3191進(jìn)行每一行像素積分的信號。當(dāng)INT為高電平時(shí)，允許對來自微測輻射熱計(jì)的一行像元信號進(jìn)行積分。INT必須在MC的上升沿改變狀態(tài)，同時(shí)必須是RESET信號的低電平期間。

　　(3)RESET信號能使UL03191復(fù)位，這樣，UL03191就會從探測器的有效區(qū)域的第一行開始積分。RESET信號必須在MC的上升沿改變狀態(tài)，且RESET信號不能在一幀內(nèi)發(fā)生兩次及以上。RESET信號時(shí)長至少為1倍MC時(shí)間，其下降沿必須在INT下降沿之前。

　　本方案采用Xilix公司的CPLD器件XC2C128為探測器提供時(shí)鐘信號、RESET、積分脈沖INT等信號。CPLD通過對27 MHz晶振進(jìn)行4分頻，為MC提供6．75 MHz頻率時(shí)鐘。紅外焦平面的有效尺寸為384×288，即384列，288行。這里取紅外圖像的幀頻為50 Hz。脈沖時(shí)序的仿真圖如圖3所示。

　　2．3 溫度檢測及控制電路的設(shè)計(jì)

　　非制冷焦平面熱像儀的“非制冷”是指其可在某個(gè)恒定室溫下工作，而不像低溫制冷型熱像儀那樣工作溫度通常低于200 K。而熱敏元件的溫度將直接影響熱像儀的探測靈敏度和成像性能，只有盡量使探測器陣列所有像元溫度保持在某個(gè)相同的恒定室溫下，才能從根本上提高熱像儀的探測靈敏度，抑制由此引起的工作波動，因此設(shè)計(jì)一個(gè)高精度的溫控系統(tǒng)是完成高性能非制冷焦平面熱像儀設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

　　本方案采用AD公司的ADN8830溫度控制芯片，它是優(yōu)秀的單芯片、高集成度、高輸出效率、高性能的TEC驅(qū)動模塊之一。小于O．5％的TEC電流波動噪聲，片內(nèi)集成MOSFET，盡量減少了外圍器件，以提高輸出效率，最高可設(shè)定的開關(guān)頻率1 MHz，可以設(shè)定最大輸出電壓保護(hù)。ADN-8830溫控電路的控制原理是通過采樣熱敏電阻上的電壓與傳感器正常工作所設(shè)定的溫度(與電壓值相對應(yīng))相比較，從而調(diào)整致冷器中流過的電流的方向和大小來控制溫度。ADN8830的溫度設(shè)定輸入由12 bit的串行D／A轉(zhuǎn)換器AD7390提供，使探測器穩(wěn)定在不同的工作點(diǎn)，擴(kuò)大了探測器的溫度范圍。

　　ADN8830輸入橋路的偏值電阻的阻值應(yīng)該按公式(1)計(jì)算：

　　式(1)中RT1和RT3分別表示熱敏電阻在工作溫度的兩個(gè)上下極限時(shí)的阻值，RT2為熱敏電阻在平均溫度下的值，即RT2=(RT1+RT3)／2。

　　RT1，RT2和RT3的值通過查閱熱敏電阻溫度曲線得到，然后計(jì)算出電阻的值。

　　3 結(jié)束語

　　非制冷紅外焦平面陣列的驅(qū)動電路是設(shè)計(jì)非制冷紅外焦平面成象組件的重要環(huán)節(jié)。本文采用CPLD產(chǎn)生時(shí)序邏輯驅(qū)動，單片TEC芯片ADN-8830調(diào)控UFPA的溫度，結(jié)合高性能低噪聲的偏壓電路，構(gòu)建了非制冷紅外焦平面陣列器件的驅(qū)動電路。根據(jù)本方案研制出的驅(qū)動電路經(jīng)過了實(shí)際測試和應(yīng)用，結(jié)果表明：該電路達(dá)到了理想的效果，具有體積小、實(shí)用性好、可靠性高等特點(diǎn)。