非制冷红外焦平面读出电路的设计与测试分析

近几年来, 随着相关部门对红外成像系统研究的不断深入, 红外焦平面阵列作为系统中的一个重要器件, 也得到了相关学者的普遍关注。经研究发现, 在未来的时间里, 非制冷红外焦平面列阵已经成为了红外焦平面阵列发展的一种重要方向, 因此, 对非制冷红外焦平面读出电路的设计与测试展开研究是不容忽视的, 相关部门一定要给予高度的重视。

1 焦平面读出电路的设计

1.1 CMOS读出电路的设计

在红外焦平面阵列中, 读出电路是非常关键的一个部件, 其主要功能是对红外探测器感应的微弱信号进行预处理。就我国目前常用的读出电路结构来看, 主要包括三种类型, 即直接注入型、电流镜积分型和电容反馈跨阻放大器。就这三种类型来看, 应用于微弱信号处理效果最好的就是直接注入型读出电路。因此, 本次实验研制的32×32元红外焦平面选用的就是DIP28结构, 相应的芯片管脚图如图1所示。

本次实验中, 对读出电路结构的设计则是用行列扫描的方式来实现各个元信号的读出。为了能够进一步对微弱信号进行有效处理, 防止由于信号漂移而给处理造成的影响, 在结构设计中, 每个探测器都可以通过CMOS开关的选通加上偏置电压, 且选择了带隙电流源作为减背景电流, 这样就可以有效防止电流值受到电压和工作温度的影响。在系统运行的过程中, 如果有某个开关被选中, 那么与此开关相对应的行上的信号就会由电容反馈互导放大器的接入端所接收, 从而在一段时间内产生相应的积分, 该放大器采用的是双采样的方式对信号进行处理, 在处理的时候, 将积分开始和结束的时候各进行一次采样, 然后取其差值, 完成对信号的处理。具体的电路结构设计, 如图2所示。

1.2 读出电路驱动时序

通过图2的管脚图我们能够看出, 在整个读出电路的结构设计中, 涉及到了很多有效管脚, 比如说模拟电源、主时钟信号、行时钟信号以及控制积分数字信号等。在这诸多管脚中, 各个管脚之间都存在着必然的联系, 以主时钟信号和行时钟信号为例, 随着时间的不断变化, 其频率也会出现相关的改变, 具体变化情况如表1所示。

2 红外焦平面阵列读出电路的测试

从上文对读出电路的结构设计分析我们能够看出, 在整个测试系统结构中, 不仅包括了红外焦平面阵列模块、控制模块, 而且还设计到了读出电路驱动模块和相关的信号处理模块。为了进一步对红外成像技术进行分析, 接下来就要对红外焦平面阵列读出电路的测试进行分析, 以此来检测该测试系统在对读出电路的测试上和数据处理的分析上是否能够与相关的理论标称值相吻合。

对红外焦平面阵列读出电路的测试主要就是对红外焦平面阵列图像输出信号Vout、Vref、Vtest、Vcu以及Tint之间的关系变化的测试。测试人员在测试的过程中, 对读出电路驱动板上的Vout2和Vout1相减, 得出了等式Vout=Vout2-Vout1, 其中涉及到的减法电路, 是由两块高速运放芯片构成的。除此之外, 利用该测试系统对红外焦平面阵列读出电路进行测试, 红外焦平面阵列图像输出信号Vout、Vref、Vtest、Vcu以及Tint之间的关系还包括以下几种。

1) Vout和Vref之间的跟随关系, 在测试过程中, 测试人员发现, 在特定的情况下, 整个测试系统是没有电流积分的, 比如说在Tint=15us, Vcu和Vtest均为0的时候, Vout和Vref是相等的。由此可见, Vout和Vref之间存在着必然的跟随关系, 具体关系图如图3所示:

2) Vout和Vtest之间的关系, 测试人员发现, 在特定的条件下, 不同的像素之间存在着很明显的不一致性, 不同像素之间的差值几乎不会随着Vtest的改变而改变。也就是说, 不同的Vtest不会在很大程度上对不同像素造成影响, 即使不同像素之间存在偏差, 也应该从结构的设计上进行改进, 二者具体关系图如图4所示:

3) Vout和Vcu之间的关系, 当测试条件为:Vtest=3.434, Vref=2.0V, Tint=15us的时候, 测试人员发现, 如果将Vcu的值进行改变, 那么就会测到不同像素Vout的值。二者的关系图如图5所示, 从图5中我们不难发现, 虽然不同像素之间存在着很明显的不一致性, 但是不同像素之间的差值几乎不会随着Vcu的改变而改变。

4) Vout和Vint之间的关系, 当测试条件为:Vtest=1.111V, Vref=2.0V, Vcu=0V的时候, 如果将Tint的值改变, 那么在对Vout值进行测量的时候, 也会很明显看出其同样发生了变化。二者关系图如图6所示:

综上所述, 随着我国信息技术的飞速发展, 红外成像技术的应用也必然会越来越广泛。非制冷红外焦平面列阵作为红外焦平面阵列发展的一个重要方向, 对其进行设计与测试分析已经成为了相关部门的一项重要工作。通过本文的介绍, 希望能够对今后红外成像技术的研究提供一定的参考依据。

摘要：随着我国信息技术发展脚步的不断加快, 红外成像技术也得到了相关部门的高度关注。由于红外辐射是不可见的, 因此对其强度的测量便产生了困难。为此, 相关学者便展开了对红外成像系统的研究。本文主要对非制冷红外焦平面读出电路的设计与测试进行分析, 以此来为今后红外成像系统的研究提供一定的参考依据。

关键词：红外成像系统,红外焦平面阵列,读出电路

参考文献

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