近幾年來, 隨著相關部門對紅外成像系統研究的不斷深入, 紅外焦平面陣列作為系統中的一個重要器件, 也得到了相關學者的普遍關注。經研究發現, 在未來的時間里, 非制冷紅外焦平面列陣已經成為了紅外焦平面陣列發展的一種重要方向, 因此, 對非制冷紅外焦平面讀出電路的設計與測試展開研究是不容忽視的, 相關部門一定要給予高度的重視。
1 焦平面讀出電路的設計
1.1 CMOS讀出電路的設計
在紅外焦平面陣列中, 讀出電路是非常關鍵的一個部件, 其主要功能是對紅外探測器感應的微弱信號進行預處理。就我國目前常用的讀出電路結構來看, 主要包括三種類型, 即直接注入型、電流鏡積分型和電容反饋跨阻放大器。就這三種類型來看, 應用于微弱信號處理效果最好的就是直接注入型讀出電路。因此, 本次實驗研制的32×32元紅外焦平面選用的就是DIP28結構, 相應的芯片管腳圖如圖1所示。
本次實驗中, 對讀出電路結構的設計則是用行列掃描的方式來實現各個元信號的讀出。為了能夠進一步對微弱信號進行有效處理, 防止由于信號漂移而給處理造成的影響, 在結構設計中, 每個探測器都可以通過CMOS開關的選通加上偏置電壓, 且選擇了帶隙電流源作為減背景電流, 這樣就可以有效防止電流值受到電壓和工作溫度的影響。在系統運行的過程中, 如果有某個開關被選中, 那么與此開關相對應的行上的信號就會由電容反饋互導放大器的接入端所接收, 從而在一段時間內產生相應的積分, 該放大器采用的是雙采樣的方式對信號進行處理, 在處理的時候, 將積分開始和結束的時候各進行一次采樣, 然后取其差值, 完成對信號的處理。具體的電路結構設計, 如圖2所示。
1.2 讀出電路驅動時序
通過圖2的管腳圖我們能夠看出, 在整個讀出電路的結構設計中, 涉及到了很多有效管腳, 比如說模擬電源、主時鐘信號、行時鐘信號以及控制積分數字信號等。在這諸多管腳中, 各個管腳之間都存在著必然的聯系, 以主時鐘信號和行時鐘信號為例, 隨著時間的不斷變化, 其頻率也會出現相關的改變, 具體變化情況如表1所示。
2 紅外焦平面陣列讀出電路的測試
從上文對讀出電路的結構設計分析我們能夠看出, 在整個測試系統結構中, 不僅包括了紅外焦平面陣列模塊、控制模塊, 而且還設計到了讀出電路驅動模塊和相關的信號處理模塊。為了進一步對紅外成像技術進行分析, 接下來就要對紅外焦平面陣列讀出電路的測試進行分析, 以此來檢測該測試系統在對讀出電路的測試上和數據處理的分析上是否能夠與相關的理論標稱值相吻合。
對紅外焦平面陣列讀出電路的測試主要就是對紅外焦平面陣列圖像輸出信號Vout、Vref、Vtest、Vcu以及Tint之間的關系變化的測試。測試人員在測試的過程中, 對讀出電路驅動板上的Vout2和Vout1相減, 得出了等式Vout=Vout2-Vout1, 其中涉及到的減法電路, 是由兩塊高速運放芯片構成的。除此之外, 利用該測試系統對紅外焦平面陣列讀出電路進行測試, 紅外焦平面陣列圖像輸出信號Vout、Vref、Vtest、Vcu以及Tint之間的關系還包括以下幾種。
1) Vout和Vref之間的跟隨關系, 在測試過程中, 測試人員發現, 在特定的情況下, 整個測試系統是沒有電流積分的, 比如說在Tint=15us, Vcu和Vtest均為0的時候, Vout和Vref是相等的。由此可見, Vout和Vref之間存在著必然的跟隨關系, 具體關系圖如圖3所示:
2) Vout和Vtest之間的關系, 測試人員發現, 在特定的條件下, 不同的像素之間存在著很明顯的不一致性, 不同像素之間的差值幾乎不會隨著Vtest的改變而改變。也就是說, 不同的Vtest不會在很大程度上對不同像素造成影響, 即使不同像素之間存在偏差, 也應該從結構的設計上進行改進, 二者具體關系圖如圖4所示:
3) Vout和Vcu之間的關系, 當測試條件為:Vtest=3.434, Vref=2.0V, Tint=15us的時候, 測試人員發現, 如果將Vcu的值進行改變, 那么就會測到不同像素Vout的值。二者的關系圖如圖5所示, 從圖5中我們不難發現, 雖然不同像素之間存在著很明顯的不一致性, 但是不同像素之間的差值幾乎不會隨著Vcu的改變而改變。
4) Vout和Vint之間的關系, 當測試條件為:Vtest=1.111V, Vref=2.0V, Vcu=0V的時候, 如果將Tint的值改變, 那么在對Vout值進行測量的時候, 也會很明顯看出其同樣發生了變化。二者關系圖如圖6所示:
綜上所述, 隨著我國信息技術的飛速發展, 紅外成像技術的應用也必然會越來越廣泛。非制冷紅外焦平面列陣作為紅外焦平面陣列發展的一個重要方向, 對其進行設計與測試分析已經成為了相關部門的一項重要工作。通過本文的介紹, 希望能夠對今后紅外成像技術的研究提供一定的參考依據。
摘要：隨著我國信息技術發展腳步的不斷加快, 紅外成像技術也得到了相關部門的高度關注。由于紅外輻射是不可見的, 因此對其強度的測量便產生了困難。為此, 相關學者便展開了對紅外成像系統的研究。本文主要對非制冷紅外焦平面讀出電路的設計與測試進行分析, 以此來為今后紅外成像系統的研究提供一定的參考依據。
關鍵詞：紅外成像系統,紅外焦平面陣列,讀出電路
參考文獻
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