紅外探測器驅動電路設計研究的論文

1紅外探測器驅動電路設計

1.1概述

紅外探測器驅動電路爲紅外探測器(以下簡稱“探測器”)工作提供必須的工作電源、偏置電壓、時序電路等，同時完成對探測器模擬信號的讀取和預處理。

1.2探測器驅動電路設計

1.2.1探測器供電設計探測器所需的三個供電電源分別爲VDDA、VDDO和VDDD。空間環境對電源的可靠性、體積、重量等參數都有着苛刻的要求，爲了減小電源的輸出波動和開關帶來的噪聲，採用體積小、重量輕、抗干擾性強的LDO(MSK5101)直接給探測器供電。探測器驅動電路工作溫度範圍爲－20～+50℃，此範圍內該LDO溫漂爲1.4mV，滿足探測器使用要求，同時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個直流偏置電壓，分別爲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，輸入電壓的波動會給探測器輸出信號帶來較大影響。爲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，同時儘量減小噪聲。設計時，選用低噪聲、低電壓調整率的LDO產生一個穩定的電壓V1，通過高精度的分壓電阻從V1分得所需電壓V2。爲了增大驅動能力，同時起到隔離作用，將電壓V2通過低噪聲、高共模抑制比的運算放大器AD843(該運放在10Hz～10MHz帶寬內噪聲均方根爲60μV，可滿足探測器對偏置電壓噪聲均方根的要求)進行緩衝，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爲:Ｒ≥100kΩ，C≤10pF。在設計時，選取的`運放(AD843)輸入阻抗可達1010Ω，輸入電容爲6pF，可滿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態範圍爲1.7～4.2V，中心電平爲2.95V，而A/D芯片對輸入信號中心電平的要求爲0V。爲了滿足A/D芯片對輸入信號的要求，在驅動電路上對探測器輸出信號進行中心電平平移。紅外信號屬於小信號，易受到複雜的空間干擾影響，這種影響對於單端信號影響較大。當採用差分電路設計時，正負兩路信號會受到相同的影響，但其差值ΔU=V+－V－變化較小，可減弱這種影響，因此採用差分傳輸設計。

1.3低噪聲設計與改進

爲了對設計的電路性能進行評估，使用數據採集軟件採集探測器輸出的信號並通過MATLAB對其進行分析。探測器驅動電路與系統聯調，採集35℃時黑體數據並分析，發現約有15個DN值波動(幅值爲7.3mV)。此時系統數字噪聲均方根爲2.7mV，NETD爲65mK。爲了降低噪聲，在探測器驅動電路的供電入口、信號傳輸的關鍵路徑等位置加上濾波措施(如大容量鉭電容等)。重新採集圖像數據並分析，測得此時DN值波動約7個(幅值爲3.4mV)，爲了降低噪聲，在探測器驅動電路的供電入口、信號傳輸的關鍵路徑等位置加上濾波措施(如大容量鉭電容等)。重新採集圖像數據並分析，測得此時DN值波動約7個(幅值爲3.4mV)

1.4空間環境適應性設計

1.4.1降額設計降額是使元器件使用中的應力低於其額定值，以達到延緩參數退化，提高使用可靠性的目的。探測器驅動電路工作於空間環境中，爲了保證其安全性和可靠性，在設計過程中對元器件的參數進行了降額設計。

1.4.2抗單粒子鎖定設計探測器驅動電路工作於空間環境中，CMOS器件中的晶體管結構很容易受到空間高能粒子衝擊，進而引發單粒子鎖定效應(SEL)。發生SEL後，CMOS器件鎖定區的電流將會大幅度增加，形成SEL異常大電流，進而影響電路的正常工作。爲了防止SEL的發生，在電路設計時採取以下措施:

a)運放芯片(AD8138/AD843)的供電端串聯限流電阻;

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;通過降額設計與抗單粒子鎖定設計，保證了驅動電路工作的可靠性和空間環境適應性。

1.5性能檢測

保持相同的光學、擺鏡和數據採集設備，分別使用本文設計的探測器驅動電路和某型探測器驅動電路採集黑體圖像數據並分析。在國產探測器均勻性、一致性與進口探測器有一定差距的情況下，通過改進探測器驅動電路，最終在性能指標上趕超了某型探測器驅動電路。證明該方案設計實用、有效。通過與系統聯調，該探測器驅動電路工作穩定、可靠，可滿足空間要求。

2總結

本文設計的探測器驅動電路，以空間應用爲出發點，在滿足性能指標的要求下，考慮了電路的空間環境適應性。通過與系統聯調，證明該設計穩定、可靠，滿足空間使用需求。