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紅外探測器驅動(dòng)電路設計研究的論文
1紅外探測器驅動(dòng)電路設計
1.1概述
紅外探測器驅動(dòng)電路為紅外探測器(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“探測器”)工作提供必須的工作電源、偏置電壓、時(shí)序電路等，同時(shí)完成對探測器模擬信號的讀取和預處理。
1.2探測器驅動(dòng)電路設計
1.2.1探測器供電設計探測器所需的三個(gè)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、重量等參數都有著(zhù)苛刻的要求，為了減小電源的輸出波動(dòng)和開(kāi)關(guān)帶來(lái)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(dòng)電路工作溫度范圍為－20～+50℃，此范圍內該LDO溫漂為1.4mV，滿(mǎn)足探測器使用要求，同時(shí)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(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)。這些偏置電壓對噪聲非常敏感，輸入電壓的波動(dòng)會(huì )給探測器輸出信號帶來(lái)較大影響。為了保證探測器輸出信號的穩定，須保證探測器偏置電壓的穩定，同時(shí)盡量減小噪聲。設計時(shí)，選用低噪聲、低電壓調整率的LDO產(chǎn)生一個(gè)穩定的電壓V1，通過(guò)高精度的分壓電阻從V1分得所需電壓V2。為了增大驅動(dòng)能力，同時(shí)起到隔離作用，將電壓V2通過(guò)低噪聲、高共模抑制比的運算放大器AD843(該運放在10Hz～10MHz帶寬內噪聲均方根為60μV，可滿(mǎn)足探測器對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(shí)，選取的運放(AD843)輸入阻抗可達1010Ω，輸入電容為6pF，可滿(mǎn)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(dòng)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(mǎn)足A/D芯片對輸入信號的要求，在驅動(dòng)電路上對探測器輸出信號進(jìn)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(shí)，正負兩路信號會(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計。
1.3低噪聲設計與改進(jìn)
為了對設計的電路性能進(jìn)行評估，使用數據采集軟件采集探測器輸出的信號并通過(guò)MATLAB對其進(jìn)行分析。探測器驅動(dòng)電路與系統聯(lián)調，采集35℃時(shí)黑體數據并分析，發(fā)現約有15個(gè)DN值波動(dòng)(幅值為7.3mV)。此時(shí)系統數字噪聲均方根為2.7mV，NETD為65mK。為了降低噪聲，在探測器驅動(dòng)電路的供電入口、信號傳輸的關(guān)鍵路徑等位置加上濾波措施(如大容量鉭電容等)。重新采集圖像數據并分析，測得此時(shí)DN值波動(dòng)約7個(gè)(幅值為3.4mV)，為了降低噪聲，在探測器驅動(dòng)電路的供電入口、信號傳輸的關(guān)鍵路徑等位置加上濾波措施(如大容量鉭電容等)。重新采集圖像數據并分析，測得此時(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，以達到延緩參數退化，提高使用可靠性的目的。探測器驅動(dòng)電路工作于空間環(huán)境中，為了保證其安全性和可靠性，在設計過(guò)程中對元器件的參數進(jìn)行了降額設計。
1.4.2抗單粒子鎖定設計探測器驅動(dòng)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(jìn)而引發(fā)單粒子鎖定效應(SEL)。發(fā)生SEL后，CMOS器件鎖定區的電流將會(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，在電路設計時(shí)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(guò)降額設計與抗單粒子鎖定設計，保證了驅動(dòng)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(xué)、擺鏡和數據采集設備，分別使用本文設計的探測器驅動(dòng)電路和某型探測器驅動(dòng)電路采集黑體圖像數據并分析。在國產(chǎn)探測器均勻性、一致性與進(jìn)口探測器有一定差距的情況下，通過(guò)改進(jìn)探測器驅動(dòng)電路，最終在性能指標上趕超了某型探測器驅動(dòng)電路。證明該方案設計實(shí)用、有效。通過(guò)與系統聯(lián)調，該探測器驅動(dòng)電路工作穩定、可靠，可滿(mǎn)足空間要求。
2總結
本文設計的探測器驅動(dòng)電路，以空間應用為出發(fā)點(diǎn)，在滿(mǎn)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(guò)與系統聯(lián)調，證明該設計穩定、可靠，滿(mǎn)足空間使用需求。
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