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        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

        2022-04-01 11:15:44白龍溫
        關(guān)鍵詞:設(shè)計(jì)

        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(lái),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(guó)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(guò)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(guò)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(wú)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(guò)大的噪聲,從而保證噪聲測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。通過(guò)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(guò)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(guò)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(wú)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(lái)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(shuō)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(shuō)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(guò)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。

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