384×288非制冷红外探测器驱动电路设计

摘要：介绍了384×288非制冷红外焦平面探测器ULO3191及其工作原理，分析了非制冷红外焦平面阵列驱动电路组成原理、设计方法，重点是偏置电压电路、脉冲电压信号驱动电路、温度检测及控制电路的设计等关键技术，并对主要驱动信号进行了仿真。
关键词：UL03191；驱动电路；CPLD；温控电路

O 引言
    近年来，非制冷红外探测器以及由多个敏感单元构成的红外焦平面阵列在军事及民用领域受到越来越广泛的关注。非制冷红外探测器工作于室温下，所以又称之为室温红外探测器。与制冷型红外探测器相比，室温红外探测器最大的优点在于系统无需制冷器，可在常温下工作，在低成本、低功耗、小型化和可靠性等方面有明显的优势，且已显示出了巨大的市场潜力。UFPA是非制冷红外热成像系统的核心，决定了系统的性能参数和成像质量。为了进一步提高UFPA的性能，除提高工艺水平外，还需设计高质量低噪声的驱动电路，使UFPA处于最佳工作状态，以提高系统的成像品质。

1 UFPA的结构及工作原理
    本电路采用的384×288像素非制冷红外焦平面器件为ULIS公司生产的非晶硅微测辐射热计UL03191，其主要由一个二维微测辐射热计阵列(FPA)和一个内部集成的热电制冷器(17EC)组成，热电制冷器通过对焦平面温度的精确控制使焦平面获得稳定的工作温度。ULO3191壳体外形紧凑，其像感面面积为9．6 mm×7．2 mm，重量≤25克，像元间距为25 μm，最高帧频100 MHz，带有一个模拟输出和一个数字输出。

    UL03191采用脉冲电压偏置，对红外辐射进行逐行积分，然后将目标的红外辐射转换为电流信号；而读出电路逐点读出像素电流信号，并由读出电路的电容反馈跨导放大器(CTIA)转换为电压信号，最终由多路复用器将经过放大的信号逐行输出。

2 UFPA的驱动电路设计
    非制冷红外探测器驱动电路设计的关键是提供满足探测器正常工作的几个偏置电压，提供MC、INT和RESET等时序脉冲，以及提供热电稳定器和温度环控制的接口信号。
2．1 偏置电压电路的设计
    为了非制冷红外焦平面阵列正常工作，驱动UFPA中的读出电路，保证探测器热电稳定，并且使UFPA具有较大的动态范围和较好的NETD性能，偏置电压电路应当具有结构紧凑，性能稳定、精度高、保护措施严密等特点。

    本方案采用多片LTl761-5、LTl761-3．3分别得到5 V、3．3 V；用LTl761-2．8得到VBUS所需的2．8 V电压；GFID，VSK，GSK均采用LTl-761通过分流电阻获得各自所需电压值。
2．2 脉冲电压信号驱动电路的设计
    探测器工作所涉及的时序不只一个，几个时序要求同步，所以最理想的方法就是用一个晶振源通过可编程逻辑器件产生所需的时序脉冲。
    (1)MC(Master Clock)是对整个器件进行操作的基础，所有操作都在MC的控制下协作统一。MC控制寄存器进行像素寻址。MC的频率不能高于384×288 MHz，且其占空比为50％。MC的上升和下降时间需低于lO ns。
    (2)积分脉冲INT(Integration Phase)是使ULO3191进行每一行像素积分的信号。当INT为高电平时，允许对来自微测辐射热计的一行像元信号进行积分。INT必须在MC的上升沿改变状态，同时必须是RESET信号的低电平期间。
    (3)RESET信号能使UL03191复位，这样，UL03191就会从探测器的有效区域的第一行开始积分。RESET信号必须在MC的上升沿改变状态，且RESET信号不能在一帧内发生两次及以上。RESET信号时长至少为1倍MC时间，其下降沿必须在INT下降沿之前。

    本方案采用Xilix公司的CPLD器件XC2C128为探测器提供时钟信号、RESET、积分脉冲INT等信号。CPLD通过对27 MHz晶振进行4分频，为MC提供6．75 MHz频率时钟。红外焦平面的有效尺寸为384×288，即384列，288行。这里取红外图像的帧频为50 Hz。脉冲时序的仿真图如图3所示。

2．3 温度检测及控制电路的设计
    非制冷焦平面热像仪的“非制冷”是指其可在某个恒定室温下工作，而不像低温制冷型热像仪那样工作温度通常低于200 K。而热敏元件的温度将直接影响热像仪的探测灵敏度和成像性能，只有尽量使探测器阵列所有像元温度保持在某个相同的恒定室温下，才能从根本上提高热像仪的探测灵敏度，抑制由此引起的工作波动，因此设计一个高精度的温控系统是完成高性能非制冷焦平面热像仪设计的关键。
    本方案采用AD公司的ADN8830温度控制芯片，它是优秀的单芯片、高集成度、高输出效率、高性能的TEC驱动模块之一。小于O．5％的TEC电流波动噪声，片内集成MOSFET，尽量减少了外围器件，以提高输出效率，最高可设定的开关频率1 MHz，可以设定最大输出电压保护。ADN-8830温控电路的控制原理是通过采样热敏电阻上的电压与传感器正常工作所设定的温度(与电压值相对应)相比较，从而调整致冷器中流过的电流的方向和大小来控制温度。
    ADN8830的温度设定输入由12 bit的串行D／A转换器AD7390提供，使探测器稳定在不同的工作点，扩大了探测器的温度范围。

    ADN8830输入桥路的偏值电阻的阻值应该按公式(1)计算：
   
    式(1)中RT1和RT3分别表示热敏电阻在工作温度的两个上下极限时的阻值，RT2为热敏电阻在平均温度下的值，即RT2=(RT1+RT3)／2。
    RT1，RT2和RT3的值通过查阅热敏电阻温度曲线得到，然后计算出电阻的值。

3 结束语
    非制冷红外焦平面阵列的驱动电路是设计非制冷红外焦平面成象组件的重要环节。本文采用CPLD产生时序逻辑驱动，单片TEC芯片ADN-8830调控UFPA的温度，结合高性能低噪声的偏压电路，构建了非制冷红外焦平面阵列器件的驱动电路。根据本方案研制出的驱动电路经过了实际测试和应用，结果表明：该电路达到了理想的效果，具有体积小、实用性好、可靠性高等特点。