非制冷紅外焦平面陣列器件的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

非制冷紅外探測器以及由多個(gè)敏感單元構(gòu)成的紅外焦平面陣列在軍事及民用領(lǐng)域受到越來越廣泛的關(guān)注。非制冷紅外探測器工作于室溫下，所以又稱之為室溫紅外探測器。

UFPA是非制冷紅外熱成像系統(tǒng)的核心，決定了系統(tǒng)的性能參數(shù)和成像質(zhì)量。為了進(jìn)一步提高UFPA的性能，除提高工藝水平外，還需設(shè)計(jì)高質(zhì)量低噪聲的驅(qū)動(dòng)電路，使UFPA處于最佳工作狀態(tài)，以提高系統(tǒng)的成像品質(zhì)。

　　1 UFPA的結(jié)構(gòu)及工作原理

　　本電路采用的384×288像素非制冷紅外焦平面器件為ULIS公司生產(chǎn)的非晶硅微測輻射熱計(jì)UL03191，其主要由一個(gè)二維微測輻射熱計(jì)陣列(FPA)和一個(gè)內(nèi)部集成的熱電制冷器(17EC)組成，熱電制冷器通過對焦平面溫度的精確控制使焦平面獲得穩(wěn)定的工作溫度。ULO3191殼體外形緊湊，其像感面面積為9．6 mm×7．2 mm，重量≤25克，像元間距為25 μm，最高幀頻100 MHz，帶有一個(gè)模擬輸出和一個(gè)數(shù)字輸出。

　　UL03191采用脈沖電壓偏置，對紅外輻射進(jìn)行逐行積分，然后將目標(biāo)的紅外輻射轉(zhuǎn)換為電流信號；而讀出電路逐點(diǎn)讀出像素電流信號，并由讀出電路的電容反饋跨導(dǎo)放大器(CTIA)轉(zhuǎn)換為電壓信號，最終由多路復(fù)用器將經(jīng)過放大的信號逐行輸出。

　　2 UFPA的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

　　非制冷紅外探測器驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是提供滿足探測器正常工作的幾個(gè)偏置電壓，提供MC、INT和RESET等時(shí)序脈沖，以及提供熱電穩(wěn)定器和溫度環(huán)控制的接口信號。

　　2．1 偏置電壓電路的設(shè)計(jì)

　　為了非制冷紅外焦平面陣列正常工作，驅(qū)動(dòng)UFPA中的讀出電路，保證探測器熱電穩(wěn)定，并且使UFPA具有較大的動(dòng)態(tài)范圍和較好的NETD性能，偏置電壓電路應(yīng)當(dāng)具有結(jié)構(gòu)緊湊，性能穩(wěn)定、精度高、保護(hù)措施嚴(yán)密等特點(diǎn)。

　　本方案采用多片LTl761-5、LTl761-3．3分別得到5 V、3．3 V；用LTl761-2．8得到VBUS所需的2．8 V電壓；GFID，VSK，GSK均采用LTl-761通過分流電阻獲得各自所需電壓值。

　　2．2 脈沖電壓信號驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

　　探測器工作所涉及的時(shí)序不只一個(gè)，幾個(gè)時(shí)序要求同步，所以最理想的方法就是用一個(gè)晶振源通過可編程邏輯器件產(chǎn)生所需的時(shí)序脈沖。

　　(1)MC(Master Clock)是對整個(gè)器件進(jìn)行操作的基礎(chǔ)，所有操作都在MC的控制下協(xié)作統(tǒng)一。MC控制寄存器進(jìn)行像素尋址。MC的頻率不能高于384×288 MHz，且其占空比為50％。MC的上升和下降時(shí)間需低于lO ns。

　　(2)積分脈沖INT(Integration Phase)是使ULO3191進(jìn)行每一行像素積分的信號。當(dāng)INT為高電平時(shí)，允許對來自微測輻射熱計(jì)的一行像元信號進(jìn)行積分。INT必須在MC的上升沿改變狀態(tài)，同時(shí)必須是RESET信號的低電平期間。

　　(3)RESET信號能使UL03191復(fù)位，這樣，UL03191就會(huì)從探測器的有效區(qū)域的第一行開始積分。RESET信號必須在MC的上升沿改變狀態(tài)，且RESET信號不能在一幀內(nèi)發(fā)生兩次及以上。RESET信號時(shí)長至少為1倍MC時(shí)間，其下降沿必須在INT下降沿之前。

　　本方案采用Xilix公司的CPLD器件XC2C128為探測器提供時(shí)鐘信號、RESET、積分脈沖INT等信號。CPLD通過對27 MHz晶振進(jìn)行4分頻，為MC提供6．75 MHz頻率時(shí)鐘。紅外焦平面的有效尺寸為384×288，即384列，288行。這里取紅外圖像的幀頻為50 Hz。脈沖時(shí)序的仿真圖如圖3所示。

　　2．3 溫度檢測及控制電路的設(shè)計(jì)