红外线阵探测器筛选电路的设计与研究
时间：2022-10-31 来源：博通范文网 本文已影响 人 
【摘要】为保证航天任务中短波红外线阵探测（SWIR）的可靠性与稳定性，本文针对Xenics公司的商用短波红外线阵探测器，设计了可同时进行10片探测器老炼的筛选测试系统电路。采用老炼前测试参数，老练过程中记录感光数据及老练后参数测试比对的方法筛选剔除出不合格器件。通过演示样机在暗室环境下对积分球亮度的调节进行探测器的感光参数测试，试验结果表明，器件完全满足可靠性筛选方法的要求。本文中筛选电路的设计方法对其他航天任务中的低等级器件筛选也具有一定的参考价值。
【关键词】红外线阵探测器;老炼筛选;成像系统
Design and Research of Screening Circuit for Short Wavelength Infrared Linear Detector
Li Wenxian，Liu Dongbin，Li Zhe
（Changchun Institute of Optics，Fine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun，Jilin 130033，China）
Abstract：In order to make ensure the reliability and stability of short wave infrared detector in space mission，in this paper a test system which can screen 10 devices manufactured by Xenics simultaneously was designed.To find out unqualified devices，three steps are carried out， consisting of parameters test before burn-in process，photosensitive property test during the burn-in process and parameters test after burn-in process.The parameters test are carried out by adjusting the brightness of integrating sphere in darkroom，and the shows the devices meet the requirements of reliability screening method.The design of screening circuit has a certain value for screening other low-level devices in other space missions.
Key word：Infrared Linear Array Detector;Ageing and Screening;Imaging System
1.引言
InGaAs探测器的截止波长可在0.8～3.5μm围内变化，在常温下便可工作，且探测性能优良，短波红外传感器在空间对地探测，如了解资源分布、土壤水分监测、大气成分分析、农作物估产等方面有着重要的作用，可以在很大程度上满足空间遥感仪器在短波红外范围内的探测应用需求[1，2]。然而航天任务对电子元器件的质量等级要求很高，器件的温度特性、真空特性、抗辐照特性等均要满足系统要求，然而由于元器件的采购渠道、采购周期、经费限制等因素，通常会采用低等级器件来代替高等级器件，为满足航天环境下的应用要求，需对低等级器件进行可靠性筛选，剔除有缺陷或潜在缺陷的器件。Xenics公司的商业级线阵短波红外探测器在低光照条件下具有高敏感度、高量子效率、宽动态范围、高的数据传输率、以及低噪声等优点，故适合用于在空间光电探测领域。本文针对该款商业级探测器，研究并设计了老炼筛选电路，并对测试结果进行了分析。
2.电路设计
2.1 红外探测器筛选电路系统的组成
红外探测器筛选电路主要完成从多片短波红外探测器中采集、处理、存储数字图像信号。其主要组成部分有电源驱动单元、时序控制单元、A/D转换单元、视频处理单元及数据传输单元组成，如图1所示。
图1 红外探测器筛选电路系统框图
如图1所示，计算机（PC）为系统的总控制器，通过串行总线向内部控制器发送指令和相关工作参数，内部控制器向探测器发送时序控制指令满足探测器的工作条件;十片探测器输出信号放大后送至模拟开关处，内部控制器按总控制器指令将某一路信号送入A/D进行数字采集并经过FPGA处理后经计算机采集卡获得图像。由于探测器管脚经多次插拔后容易变形，影响探测器的寿命。因此，本系统采用3M公司生产的无应力插座与电路板进行焊接。该插座具有耐高温、可靠性高、无应力等特点，完全满足老炼筛选的测试要求。
2.2 红外探测器驱动及放大电路
本文用到的探测器是Xenics公司生产的线阵短波红外探测器，它具有2048个像元。它内部具有两路读出电路，其中奇数像元与一路读出电路读出相连，偶数像元与另一路相连。读出电路的工作过程主要分四个阶段：
（1）InGaAs光电二极管将入射光能量转换为电荷累积;（2）将探测器的电流信号转换成电压信号（CVC），同时保证整个积分阶段电压值恒定;（3）相关双采样阶段（CDS）即在一个周期内补偿CVC过程中的信号偏移及消除复位噪声;（4）将采样信号经差分驱动单元转换为差分信号输出。探测器主要参数如表1所示。
表1 探测器主要参数
参数 典型值
像元数 1×2048
像元尺寸 12.5μm×12.5μm
响应波长 0.9～1.7μm
积分电容 5～830fF
量子效率 80%
暗噪声 0.9～30mV
暗电流 0.5pA
探测器工作需要8种驱动信号，分别为CMAD0～CMAD3读出电路指令、地址、数据控制信号;CSTop、CSBot，两路读出电路片选信号;MCLK控制时钟信号以及RS复位信号。驱动信号可直接有FPGA输出信号控制，不需要任何的电平转换过程。输出信号为两路读出电路产生的差分信号，差分信号每路信号的幅值为1.25V，需要经运算放大器放大1.3倍左右后，经A/D量化编码为12位数据。放大电路如图2所示。
图2 探测器输出放大电路
2.3 视频处理单元
视频处理单元由数据选择单元与模数转换单元组成，完成了多路信号的切换以及采样模拟信号量化编码为数字信号的作用。本老炼筛选系统包含十片短波红外探测器，而每片探测器的输出包含4路信号即Det_OutTop_P、Det_OutTop_N、Det_OutBot_P、Det_OutBot_N。如图3所示，为完成从十组信号中选择一组信号，本设计选用4片具有16通道的多路模拟开关ADG526完成信号切换功能。电路中将每片探测器的4路信号分别接入4片模拟开关的同一输入端口，由FPGA发出切换指令，从而完成了信号的采集功能。
图3 模拟开关切换电路原理图
为匹配模拟前端四路差分信号并进一步抑制共模干扰和噪声[3]，本电路中选用了具有双差分输入的12位高速率、高精度的模数转换芯片THS1206进行数模转换，该芯片基于流水线结构，其差模输入共模电压为2.5V，差模范围为-2V-2V。
图4 A/D转换单元原理图
设计中主要考虑以下问题：
1）根据THS1206的输入范围，如2.2节所属将探测器输出信号放大1.3倍后送至A/D模块，进行模数转换。此外，为了抑制输入端的高频噪声和限制瞬变电流，差分电路输出经RC滤波网络后再输入到THS1206。
2）根据模数转换器数据手册描述，模拟信号被采样后需9.5个采样时钟周期后输出对应的数据，这是由于THS1206有5个时钟周期的流水线延迟，因此在FPGA读取转换后的数据进行数据处理时，需考虑该5个时钟延迟，以确保读到稳定有效的数据。
3）A/D转换器在整个电路系统中应看作模拟器件，模拟信号的电压和电流都随时间连续变化，而整个系统中又存在着大量的数字信号，数字信号的上升下降沿包含高频成分容易对模拟信号产生干扰。因此要对数字地与模拟地进行明确划分，同时数字地与模拟地之间通过磁珠相连，消除二者间的传到回路。
3.实验过程与结果分析
3.1 实验过程
1）初始检测：常温条件下对探测器及电路板进行外观检测，若完好则进行电路板电性能检测，最后将探测器安装到电路板的无应力插座上进行整个系统的电性能测试。
2）常温检测：在常温条件下，将探测器与筛选板连接完好，使其正常工作6小时。
3）老炼过程：将整个老炼筛选板放入高低温箱中，将温度以不高于5℃/min的速率将温度从室温升至80℃，在80℃温度下带电工作96小时。试验过程中监测电源电压及电流，并实时记录图像数据，测试系统及数据采集与存储界面如图5所示。
4）常温检测：试验结束后，常温条件下对整个筛选系统进行电性能测试。
图5 数据采集与存储界面
3.2 探测器性能检测及结果分析
高温老炼筛选前后需要对探测器进行性能测试，测试系统由红外演示样机、积分球、地物波谱仪组成。将探测器对准积分球的开口处且感光面平行于出光口平面，利用地物波谱仪测量不同谱段的光照度值，通过调整积分球的不同亮度等级，可以得到探测器DN值与光照度值之间的关系。本文从14片探测器中随机挑出一片探测器对老炼前后的测试结果进行分析。根据图6分析可知，老炼后探测器的线性度稍稍有所提高，响应度基本一致。
图6 老炼前后光亮度与探测器灰度值曲线
4.结论
本文根据红外线阵探测器的性能设计了一套用于民用红外探测器老炼筛选从而进行航天应用的老炼测试板，该系统可一次性测试10片探测器，通过对控制脉冲信号的位置、频率、相位的仔细调试，得到了较好的响应度，得到了积分时间、增益、起始像元可调的数字图像。通过筛选前后对比结果显示，筛选后探测器可用于航天应用项目。
参考文献
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基金项目：“863”计划重大项目（2011AA12A103）。
作者简介：
李闻先（1987—），男，黑龙江哈尔滨人，硕士，研究实习员，主要从事空间光学探测方面的研究。
刘栋斌（1968—），男，吉林长春人，博士，研究员，主要从事空间光学成像系统方面的研究。
李哲（1984—），男，黑龙江齐齐哈尔人，硕士，助理研究员，主要从事空间光学成像技术方面的研究。
