256×1長波紅外焦平面器件低噪聲信息獲取電路研制

姜 婷，王淦泉，席紅霞

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256×1長波紅外焦平面器件低噪聲信息獲取電路研制

姜 婷1,2，王淦泉1，席紅霞1

（1. 中科院上海技術物理研究所，上海 200083；2. 中國科學院大學，北京 100049）

針對256×1長波紅外焦平面器件工作原理和輸出信號特點，從低噪聲需求角度出發，闡述了長波紅外焦平面器件信息獲取電路設計過程。著重分析、并解決了信息獲取電路如何降低硬件電路噪聲問題，同時對硬件電路的噪聲來源進行了分析與建模。實驗結果表明，信息獲取電路正常工作，整個信息獲取電路的輸入均方根噪聲為0.13mV，具有良好的噪聲特性。

256×1；長波紅外；信息獲取電路；低噪聲

0 引言

紅外成像系統在航天、氣象、醫學、工業、安全等各個領域中有著廣泛的需求，而長波紅外成像技術對地和太空觀測已經成為一個重要的發展方向[1-2]。長波紅外探測器是長波紅外成像系統中核心的部件之一。為了獲得高質量的圖像，需要選擇高性能的紅外探測器，研制與之匹配低噪聲長波紅外探測器信息獲取電路也是十分重要的。

本文結合實際工程應用，分析了信息獲取電路噪聲來源，給出了一款長波紅外焦平面器件信息獲取電路低噪聲設計方案和軟硬件實現。經驗證，電路具有良好的噪聲性能。

1 256×1長波紅外焦平面器件信息獲取系統概述

紅外圖像輻射通過光學系統耦合到碲鎘汞焦平面器件上，由信息獲取電路模塊產生焦平面器件所需的偏置電壓和數字脈沖信號，驅動焦平面器件輸出模擬電壓信號。輸出的模擬信號經過信息獲取電路完成信號處理，傳至上位機得到數字圖像數據。長波紅外焦平面器件由紅外探測器和讀出電路通過銦柱間接倒焊而成，像元成兩行品字形排列[3]，如圖1所示。長波紅外探測器采用了碲鎘汞薄膜材料，讀出電路采用對輸入阻抗不敏感的電容跨導放大器（CTIA）作為輸入級，如圖2所示。讀出電路對碲鎘汞光敏元探測陣列的信號進行積分、存儲、轉換，輸出模擬電壓信號。同時為了降低探測器輸出復位噪聲，采用了相關雙采樣設計[4]。在低溫下，焦平面器件采用快照工作模式，奇偶行像元同時曝光，輸出奇偶兩路信號，每一路像元通過相關雙采樣可以得到目標信號和暗背景信號。焦平面器件所需的驅動脈沖時序如圖3所示，讀出速率為0.5MHz。本文中采用的長波紅外焦平面器件讀出噪聲達到了0.8mV，這給設計與之匹配的信息獲取電路帶來了不小的挑戰。

圖1 256×1長波紅外焦平面器件光敏元排列

圖2 焦平面器件讀出電路意圖

圖3 焦平面器件驅動時序示意圖

2 信息獲取電路設計

如圖4所示，方框內為信息獲取電路結構，主要包括信號調理電路模塊、FPGA模塊、USB模塊以及電源模塊。紅外輻射通過光學系統耦合到碲鎘汞焦平面器件，焦平面器件由電源模塊給其提供所需的偏置電壓，同時由FPGA產生驅動脈沖，驅動焦平面器件讀出電路完成光電轉換輸出模擬電壓信號。模擬信號經過放大、濾波和AD轉換得到圖像處理所需數字信號。FPGA完成圖像數據處理，生成基本的原始數據包，通過USB傳至上位機。

圖4 信息獲取電路結構

2.1 焦平面器件偏置電路及驅動程序設計

256×1長波紅外焦平面器件需要提供3種偏置電壓并在一定范圍內可調。設計中選用低噪聲精密參考電壓源LT1021，其噪聲電壓RMS值為2.2mV（10Hz≤≤1kHz），并通過外接可調變阻器調節到偏置電壓典型值。

FPGA產生數字脈沖信號，驅動焦平面器件奇偶像元同時積分讀出。圖5為驅動信號時序仿真波形，mpu_clk為主時鐘信號；mpu_start為讀出起始信號；mpu_rst為復位信號，低電平復位，高電平積分電容開始工作；mpu_sha為信號采樣脈沖；mpu_shd為參考信號采樣脈沖。

2.2 信號調理電路設計

信號調理電路包括差分放大、濾波、單端轉差分和AD轉換模塊。模擬信號經過差分放大電路去除暗背景噪聲和共模噪聲，然后經過濾波和單端轉差分電路進入ADC得到數字信號。

焦平面器件輸出信號擺幅約為2V，動態范圍不小于60dB，讀出速率為0.5MHz。為保證輸出的模擬信號不失真，電路帶寬應至少為讀出頻率的3～5倍，故電路帶寬設計為3MHz。

由于焦平面器件的驅動能力有限，故第一級調理電路需要較高的輸入阻抗。設計中放大電路和濾波模塊都選用低噪聲高速運算放大器，主要參數為：低輸入噪聲1.6nV/Hz1/2，高輸入阻抗2MW，電源抑制比95dB，275MHz單位增益帶寬，壓擺率100V/ms。運放的頻率上限由增益帶寬積和轉換速率SR決定，當增益設為2倍時，THS4031的上限頻率為100MHz，因而信號可以被無失真地線性放大。當振幅為p的信號通過放大器，其最大頻率m與運放的轉換速率應滿足如下關系：SR≥2π×m×p。 焦平面器件輸出信號擺幅為2V，頻率約為3MHz，2π×m×p＝37.68V/ms≤100V/ms。因此運放THS4031的這些特性使得信號能夠快速、低噪、低失真地通過信號調理電路。

圖5 時序仿真波形

Fig.5 Simulating timing wave

對于正弦波輸入信號，ADC的理論信噪比SNR＝(6.02＋1.76)dB，其中為有效位數。因而為了提高信噪比，設計中ADC選用美國ADI公司的一款高精度16位模數轉換器AD7626。該芯片最高轉換速率為10MSPS，動態范圍可達91.5dB，最小分辨率LSB為0.125mV，量化噪聲為LSB/121/2＝0.035mV，差分非線性誤差為±0.35LSB。且AD7626的所有的轉換結果通過一個LVDS自時鐘串行接口即可獲得，從而減少了外部硬件連接。

差分放大電路采用由三運放組成的儀表放大電路[5]，如圖6所示。第一級由兩個同相放大器組成，電路增益可以通過調節g的大小來控制。信號調理電路的設計中考慮到電阻會引入熱噪聲，其熱噪聲的電壓譜密度函數為：

式中：＝1.38×10－23J/K，為波爾茲曼常數；為以開爾文表示的工作溫度；為電阻值；為帶寬。由于電阻熱噪聲電壓值與電阻阻值的平方跟成正比，因此不宜采用過大阻抗的電阻，同時為了保證電路的對稱性，本電路中1～8阻值均設為1K，其熱噪聲約為4.1nV/Hz1/2。

濾波器的階數越高，截止頻率特性越好，但電路的穩定性也越差。綜合考慮，電路采用四階具有最大通帶平坦度的巴特沃斯低通有源濾波器，如圖7所示，由兩個二階Sallen_Key型低通濾波器級聯而成。圖8為濾波器電路經過Pspice模型仿真的四階濾波幅頻響應[6]。

2.3 電源模塊設計

電源模塊的設計對電路的噪聲有一定的影響，設計中重點考慮各個模塊的供電需求，由電平大小、紋波水平v和驅動能力三個指標共同來表征一個模塊的電源需求。對于不同的模塊其供電需求如表1所示。由于普通的開關電源噪聲比較大，故設計中均選用線性穩壓源完成電平轉換。電源分為模擬和數字兩大類，每一個電源模芯片都利用了去耦電容對其進行去耦，并利用磁珠抑制電源線上的高頻噪聲和尖峰干擾，吸收靜電脈沖。

2.4 PCB設計

對于一個模數混合的PCB，其合理的布局布線尤為重要。為減小PCB板引入的噪聲，在設計PCB時，按電路模塊進行布局如圖9所示。電路模塊中的元件采用了就近集中原則，同時數字電路和模擬電路分開形成獨立模塊，模擬部分的布線盡量短。每層地分割為模擬地和數字地，并用電感和磁珠相連，以阻隔數字地上噪聲竄到模擬地上。電源層也按模擬部分和數字部分分割為模擬電源和數字電源。在布線時采用了8層疊層設計，有4層覆銅屏蔽層，并形成兩層最佳布線層，大大降低了信號干擾。

圖6 儀表放大器電路

圖7 四階濾波電路

表1 各模塊電平需求

圖8 濾波器的幅頻響應

圖9 PCB布局框圖

3 信息獲取電路的噪聲分析

信息獲取電路的噪聲來源主要包括電磁干擾噪聲、模擬調理電路噪聲、電源噪聲以及ADC噪聲等。其中電磁干擾噪聲主要是由PCB板和電纜引起的，PCB板的噪聲在PCB設計理論支持下會得到較好的抑制。為了減小電纜噪聲對信號的影響，采用了對絞結構型的電纜，并將內層屏蔽接至模擬地，外層總屏蔽同探測器外殼相連。

信號調理電路中，運放和電阻本身都是非理想器件，運算放大器的噪聲主要包括正負端的等效輸入電流噪聲及兩端之間的等效輸入電壓噪聲，而電阻在電流流過時也是不可避免的會產生熱噪聲。

(a) 運放噪聲模型 (b) 電阻噪聲模型

模擬調理電路的噪聲總體等效模型可以按照信號流分為4個模塊如圖11虛線表示。其中第一個模塊為信息獲取電路的模擬輸入部分，主要完成共模抑制和信號放大；第二個模塊為差分減法電路，消除焦平面器件相關雙采樣過程中的暗信號；第三模塊是濾波電路，濾除高頻噪聲；第四模塊為單端轉差分電路，以滿足ADC差分輸入需求。因而可以得到4部分的等效噪聲分別為[8]：

(5)

Fig.11 Analog conditioning circuit noise model

因此可以得到模擬調理電路總體等效輸入輸出噪聲為：

式中：h為運放高頻電流白噪聲譜密度；h為運放高頻電壓噪聲譜密度；H為電路截止頻率；L為分析所選擇的最低頻率值；ic和ec分別是運放電流和電壓噪聲的頻譜轉角頻率點；為電路噪聲等效帶寬；為電路工作時的溫度；為噪聲增益，其余的為對應的具體電阻值。調理電路中1～8阻值均為1kW，因此可以代入運放THS4031、ADA48991、AD8056的相關參數及相應電阻值如下：

＝3MHz，g＝4kW，9＝9.74kW，10＝4.1kW，

12＝100，13＝20，11＝14＝15＝590，

16＝50，17＝20，H＝3MHz，L＝10Hz

可以計算出此時的模擬調理電路等效輸入噪聲為：0.092mV，遠小于焦平面器件讀出噪聲。

AD轉換過程中量化噪聲是不可避免的，AD7626的最小量化分辨率LSB為0.125mV，引入的量化噪聲為0.035mV，遠小于焦平面器件讀出噪聲。

綜上可以計算得出信息獲取電路的等效輸入噪聲為：

小于焦平面器件讀出噪聲。

4 實驗結果

為了測試所設計信息獲取電路的噪聲性能，在不加探測器的情況下，對整個信息獲取電路的噪聲進行了測試。測試方法為：將信息獲取電路的最前端即儀表放大電路的負向輸入端接地，利用電源模塊中的穩壓源輸出接入儀表放大電路的正向輸入端。采集經信息獲取電路處理后的數據，利用Matlab對數據進行統計分析如圖12所示，計算出其標準差即為整個信息獲取電路的噪聲。經過計算，整個信息獲取電路的輸出均方根噪聲為2.1個LSB，換算為電壓值為2.1×0.125＝0.26mV，因而可以得到等效輸入噪聲電壓為0.13mV。這說明信息獲取電路的本身引入的噪聲比較小，且與理論分析值相近，并遠小于焦平面器件讀出噪聲。

圖12 信息獲取電路輸出電壓采樣值分布

5 結論

信息獲取電路的噪聲性能決定了該電路是否適用于焦平面器件的需求。本文針對256×1長波紅外焦平面器件，從低噪聲需求角度出發，闡述了低噪聲設計思路和過程，同時對信息獲取電路的噪聲來源進行了分析與建模。實驗結果表明，本文設計的信息獲取電路輸入均方根噪聲值與理論模型分析相近為0.13mV，具有良好的低噪聲特性，滿足了與長波紅外焦平面器件的匹配要求。

[1] 周世椿. 高級紅外光電工程導論[M]. 北京: 科學出版社, 2014: 171-268.

ZHOU Shi-chun.[M]. Beijing: Science Press, 2014: 171-268.

[2] 王華, 魏志勇, 張文昱, 等. 480×6紅外探測器信號處理電路設計[J]. 紅外技術, 2009, 31(9): 504-508.

WANG Hua, WEI Zhi-yong, ZHANG Wen-yu, et al. Design of 480×6 infrared focal plane array signal processing circuit[J]., 2009, 31(9): 504-508.

[3] 李春來, 林春, 陳小文, 等. 星載長波紅外焦平面成像系統[J]. 紅外與激光工程, 2012, 41(9): 2253-2260.

LI Chun-lai, LIN Chun, CHEN Xiao-wen, et al. Space-borne LWIR FPA imaging system[J]., 2012, 41(9): 2253-2260.

[4] 白丕績, 趙俊, 劉會平, 等. 碲鎘汞雙色紅外焦平面讀出電路研究進展[J].紅外技術, 2015, 37(10): 807-813.

BAI Pi-ji, ZHAO Jun, LIU Hui-ping, et al. Review of ROIC for MCT dual-band infrared focal plane arrays[J]., 2015, 37(10): 807-813.

[5] 衛翠玉. 基于HgCdTe紅外探測器微弱信號處理電路研究[D]. 西安: 中國科學院西安光學精密機械研究所, 2009: 14-24.

WEI Cui-yu. Research weak signal processing circuit based on HgCdTe infrared detector[D]. Xi'an: Xi'an Institute of Optics and Precision Mechanics, Chinese Academy of Sciences, 2009.

[6] 劉煥淋, 陳勇. 基于Pspice的低通濾波器優化設計與仿真分析[J]. 微計算機信息, 2007, 23(4): 268-271.

LIU Huan-lin, CHEN Yong. Design optimization and simulating analisis of low pass filter based-on pspice[J]., 2007, 23(4): 268-271.

[7] 何崢嶸. 運算放大器電路的噪聲分析和設計[J]. 微電子學, 2006, 36(2): 148-153.

HE Zheng-rong. Noise analysis and design of operational amplifier circuits [J]., 2006, 36(2): 148-153.

[8] 龔學藝, 蘇曉峰, 黃思婕, 等.紅外探測器信息獲取系統噪聲特性[J]. 紅外與毫米波報, 2015, 34(1): 80-86.

GONG Xue-yi, SU Xiao-feng, HUANG Si-jie, et al. Noise characteristics of infrared detector signal acquisition system[J]., 2015, 34(1): 80-86.

Design of the Low-noise Information Acquisition Circuit for 256×1 LWIR FPA

JIANG Ting1,2，WANG Ganquan1，XI Hongxia1

(1.,,200083,; 2.,100049,)

According to 256×1 long-wave infrared focal plane array detector working principle and characteristics of the output signal, this paper elaborates LWIR detector information acquisition circuit design process from the perspective of low noise. The emphasis is to solve the problem of how to reduce the noise of the hardware circuit, and an accurate noise model is established. The experimental results show that the information acquisition circuit is in normal operation and the input noise of the whole circuit is 0.13mV, which has good noise characteristics.

256×1，long-wavelength infrared，information acquisition circuit，low noise

TN215

A

1001-8891(2016)05-0378-06

2015-12-10；

2016-03-01.

姜婷（1989-），女，江西上饒市人，碩士生，主要從事紅外焦平面器件讀出后處理技術方面的研究。E-mail：jiangting_sitp@163.com。