一種測(cè)量非制冷紅外焦平面探測(cè)器供電偏壓噪聲的方法

白龍溫, 賈 銘

(1.天津機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 天津 300350; 2.河北工業(yè)大學(xué), 天津 300401)

0 引言

近年來，隨著紅外成像技術(shù)的飛速發(fā)展，非制冷紅外焦平面陣列(Uncooled Infrared Focal Plane Array，UIRFPA)具有價(jià)格低廉、體積小、功耗低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，在國防、醫(yī)療、工業(yè)、防火等領(lǐng)域發(fā)展十分迅猛[1-3]。

通用的UIRFPA讀出電路基本構(gòu)造如圖1所示。

RACTIVE為像元敏感元電阻，其接收紅外輻射并發(fā)生阻值改變，Cint為積分電容，Iint為積分電流，偏置電壓為VGFID和VGSK，該偏置電壓直接參與讀出電路的積分過程，影響探測(cè)器的信號(hào)輸出。因此為保證非制冷紅外焦平面的工作性能，通過設(shè)計(jì)合理的偏置電路提供偏置電壓，并保證偏壓的低噪聲特性將顯得極其重要[3,4]。

本文以Ulis公司PICO384探測(cè)器要求的偏置電壓噪聲為例進(jìn)行設(shè)計(jì)，其要求的噪聲指標(biāo)如圖2所示。

圖1 讀出電路基本構(gòu)造

圖2 PICO384探測(cè)器要求的偏置電壓噪聲

一般傳統(tǒng)電路設(shè)計(jì)中偏置電壓均由低噪聲的LDO或者運(yùn)算放大器提供[5]，噪聲為μV級(jí)別，無法直接使用示波器測(cè)量。因此本文提出一種測(cè)量偏置電壓上微小噪聲的方法，可將μV級(jí)噪聲分頻段放大，并且構(gòu)造的各頻段的放大器電路本身不會(huì)引入過大的噪聲，從而保證噪聲測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。通過該方法分析各頻段噪聲測(cè)量結(jié)果，確定偏置電路各頻段的噪聲大小是否超標(biāo)，并進(jìn)行針對(duì)性改進(jìn)，對(duì)工程開發(fā)具有重要的意義。

1 基本結(jié)構(gòu)

根據(jù)PICO384要求的偏壓噪聲指標(biāo)，本文設(shè)計(jì)的放大倍數(shù)為105，將噪聲信號(hào)從0.1 μV放大到10 mV水平，即可通過示波器或者采樣設(shè)備直接進(jìn)行觀察分析。

系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

輸入噪聲源通過屏蔽線纜接入金屬屏蔽殼內(nèi)，屏蔽殼內(nèi)由低噪聲放大器和帶通濾波器搭建核心放大電路，電池為屏蔽殼內(nèi)電路供電。放大后的噪聲信號(hào)由屏蔽線纜輸出。

由于運(yùn)算放大器性能限制，無法同時(shí)兼顧閃爍噪聲和寬帶噪聲小、增益帶寬積大等要求，因此分頻段選擇性能參數(shù)合適的運(yùn)算放大器構(gòu)造放大電路[6]，最后將各頻段分別放大的噪聲有效值疊加得出總噪聲。

結(jié)合圖2綜合考慮，將放大電路按照信號(hào)頻率分成四組，放大電路結(jié)構(gòu)見圖4，分別由一級(jí)放大電路和具有放大倍數(shù)的帶通濾波器構(gòu)成，其中一級(jí)放大電路的噪聲水平?jīng)Q定著整個(gè)系統(tǒng)的噪聲水平。

圖4 四個(gè)頻段的放大電路結(jié)構(gòu)

1.1 0.1 Hz～10 Hz頻段放大電路和帶通濾波電路的設(shè)計(jì)

該組放大濾波電路的設(shè)計(jì)帶寬為0.1 Hz～10 Hz，一級(jí)放大電路引入的噪聲主要為運(yùn)算放大器的閃爍噪聲。

噪聲信號(hào)通過C1和R2組成截止頻率為0.1 Hz的高通濾波電路，并經(jīng)同相放大電路放大1 000倍。

圖5作為放大電路第一級(jí)，該放大電路決定著整個(gè)系統(tǒng)的噪聲水平。

圖5 0.1 Hz截止頻率的高通濾波和同相放大電路

運(yùn)算放大器的偏置電壓VIO、偏置電流IIB、失調(diào)電流IIO引起的運(yùn)放偏置輸出電壓如公式(1)所示。

(1)

為避免運(yùn)放輸出飽和，VIO、IIB和IIO需盡量小。

綜合考慮運(yùn)放的閃爍噪聲水平，選用ADI公司的雙通道精密運(yùn)算放大器AD8676，其閃爍噪聲為0.1 μVpp，該運(yùn)放的VIO=50 μV，IIB=±2 nA，IIO=±1 nA，因此造成的偏置輸出電壓的最大值為VO=88 mV，不會(huì)引起輸出電壓截止，是可以接受的。

1 000倍放大后的噪聲信號(hào)依次通過截止頻率為0.1 Hz的多反饋拓?fù)?sallen-key)高通濾波器和截止頻率為10 Hz的2個(gè)2階多反饋(MFB)低通濾波器，濾波器設(shè)計(jì)為通帶內(nèi)相應(yīng)最為平坦的Butterworth型。三個(gè)濾波器依次具有10倍、10倍和1倍增益，其級(jí)聯(lián)成具有低噪聲、精確截止頻率和精確增益的帶通濾波器[7,8]，電路設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 帶寬為0.1 Hz～10 Hz的級(jí)聯(lián)濾波器

1.2 10 Hz～1 kHz頻段放大電路和帶通濾波電路的設(shè)計(jì)

該組放大濾波電路的帶寬為10 Hz～1 kHz，一級(jí)放大電路引入的噪聲主要為運(yùn)放的寬帶噪聲。

噪聲信號(hào)通過C1和R2組成截止頻率為10 Hz的高通濾波電路，并經(jīng)同相放大電路放大1 000倍。高通濾波電路和同相放大電路如圖7，帶通濾波器的設(shè)計(jì)如圖8，運(yùn)放仍選用ADI公司的AD8676。

圖7 10 Hz截止頻率的高通濾波和同相放大電路

放大后噪聲信號(hào)依次通過截止頻率為10 Hz的多反饋拓?fù)?sallen-key)高通濾波器和截止頻率為1 kHz的2個(gè)2階多反饋(MFB)低通濾波器，濾波器設(shè)計(jì)為通帶內(nèi)相應(yīng)最為平坦的Butterworth型。三個(gè)濾波器依次具有10倍、10倍和1倍增益構(gòu)成級(jí)聯(lián)濾波器，電路設(shè)計(jì)如圖8所示。

圖8 帶寬為10 Hz～1 kHz的級(jí)聯(lián)濾波器

1.3 1 kHz～10 kHz頻段放大電路和帶通濾波電路的設(shè)計(jì)

該組放大濾波電路的帶寬為1 kHz～10 kHz，一級(jí)放大電路引入的噪聲主要為運(yùn)放的寬帶噪聲，由于通過信號(hào)的頻率較高，還要考慮運(yùn)放的增益帶寬積等參數(shù)。

噪聲信號(hào)通過C1和R2組成截止頻率為1 kHz的高通濾波電路，并經(jīng)同相放大電路放大1 000倍。高通濾波電路和同相放大電路如圖9，帶通濾波器的設(shè)計(jì)如圖10。

圖9 1 kHz截止頻率的高通濾波和同相放大電路

帶通濾波器設(shè)計(jì)為截止頻率為1 kHz的多反饋拓?fù)?sallen-key)高通濾波器和截止頻率為10 kHz的2個(gè)2階多反饋(MFB)低通濾波器，濾波器設(shè)計(jì)為通帶內(nèi)相應(yīng)最為平坦的Butterworth型。三個(gè)濾波器依次具有10倍、10倍和1倍增益。

圖10 帶寬為1 kHz～10 kHz的級(jí)聯(lián)濾波器

1.4 10 kHz～100 kHz頻段放大電路和帶通濾波電路的設(shè)計(jì)

該組放大濾波電路的帶寬為10 kHz～100 kHz，一級(jí)放大電路引入的噪聲主要為運(yùn)放的寬帶噪聲，同時(shí)考慮運(yùn)放的增益帶寬積等參數(shù)。

噪聲信號(hào)通過C1和R2組成截止頻率為10 kHz的高通濾波電路，并經(jīng)同相放大電路放大1 000倍。高通濾波電路和同相放大電路如圖11，帶通濾波器的設(shè)計(jì)如圖12，運(yùn)放仍選用ADI公司的ADA4895。

帶通濾波器設(shè)計(jì)為截止頻率為10 kHz的多反饋拓?fù)?sallen-key)高通濾波器和截止頻率為100 kHz的2個(gè)2階多反饋(MFB)低通濾波器，濾波器設(shè)計(jì)為Butterworth型。三個(gè)濾波器依次具有10倍、10倍和1倍增益。

圖11 10 kHz截止頻率的高通濾波和同相放大電路

圖12 帶寬為10 kHz～100 kHz的級(jí)聯(lián)濾波器

2 仿真結(jié)果及分析

進(jìn)行放大電路的穩(wěn)定性、濾波特性和噪聲分析至關(guān)重要，穩(wěn)定性和濾波特性涉及方案的硬件實(shí)現(xiàn)，而噪聲特性則直接關(guān)系到方案的性能指標(biāo)。本文采用TINA 9.0 Spice仿真軟件進(jìn)行仿真驗(yàn)證，運(yùn)算放大器等主要器件的Spice模型來自廠家的官方網(wǎng)站下載。

2.1 一級(jí)放大電路穩(wěn)定性和帶寬濾波特性仿真分析

分別仿真四個(gè)頻段的一級(jí)放大電路的閉環(huán)增益波德圖，對(duì)應(yīng)放大電路的閉環(huán)相位裕度分析匯總?cè)绫?所示。四個(gè)頻段一級(jí)放大電路的閉環(huán)相位裕度均大于45°，說明放大電路是穩(wěn)定工作的，不會(huì)發(fā)生輸出振蕩。

表1 四個(gè)頻段一級(jí)放大電路閉環(huán)相位裕度仿真分析匯總

分別仿真四個(gè)頻段下帶通濾波器電路的濾波特性，匯總?cè)鐖D13所示。

a線段表示下限截止頻率，b線段表示上限截止頻率，發(fā)現(xiàn)濾波器的增益在下限截止頻率以下的頻率段以40 dB/dec衰減，而在上限截止頻率以上的頻率段以80 dB/dec衰減，說明四個(gè)頻段的帶通濾波器設(shè)計(jì)滿足指標(biāo)要求。

圖13 四個(gè)頻段放大電路和帶通濾波電路的濾波特性

2.2 系統(tǒng)輸出噪聲仿真分析

根據(jù)圖2探測(cè)器偏壓要求的噪聲指標(biāo)經(jīng)放大105后，可得出表2數(shù)值。

表2 探測(cè)器偏壓要求的噪聲有效值

仿真得出四個(gè)頻段電路的整體噪聲水平，并將各個(gè)頻段噪聲有效值疊加后如表3所示。

表3 仿真噪聲有效值

在0～1 kHz、0～10 kHz和0～100 kHz三個(gè)頻段下放大電路引入的噪聲僅為探測(cè)器偏壓要求噪聲有效值的1/20，因此不會(huì)影響測(cè)量的準(zhǔn)確性。

3 結(jié)論

本文提出了一種分頻段測(cè)量UIRFPA偏壓微小噪聲的方法，并設(shè)計(jì)各頻段下核心的放大和濾波器電路，提出了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的基本結(jié)構(gòu)，最后通過電路的仿真分析，驗(yàn)證電路穩(wěn)定性、帶通頻率、噪聲水平均符合設(shè)計(jì)要求。本方法可作為測(cè)量偏置電壓電路的噪聲水平是否滿足UIRFPA要求的噪聲指標(biāo)的一種通用手段，同時(shí)本方法可推廣至其他微小信號(hào)測(cè)量的場(chǎng)所，具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。