非制冷紅外焦平面陣列器件的驅動電路設計

非制冷紅外探測器以及由多個敏感單元構成的紅外焦平面陣列在軍事及民用領域受到越來越廣泛的關注。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的核心，決定了系統的性能參數和成像質量。為了進一步提高UFPA的性能，除提高工藝水平外，還需設計高質量低噪聲的驅動電路，使UFPA處于最佳工作狀態，以提高系統的成像品質。

　　1 UFPA的結構及工作原理

　　本電路采用的384×288像素非制冷紅外焦平面器件為ULIS公司生產的非晶硅微測輻射熱計UL03191，其主要由一個二維微測輻射熱計陣列(FPA)和一個內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，帶有一個模擬輸出和一個數字輸出。

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

　　2 UFPA的驅動電路設計

　　非制冷紅外探測器驅動電路設計的關鍵是提供滿足探測器正常工作的幾個偏置電壓，提供MC、INT和RESET等時序脈沖，以及提供熱電穩定器和溫度環控制的接口信號。

　　2．1 偏置電壓電路的設計

　　為了非制冷紅外焦平面陣列正常工作，驅動UFPA中的讀出電路，保證探測器熱電穩定，并且使UFPA具有較大的動態范圍和較好的NETD性能，偏置電壓電路應當具有結構緊湊，性能穩定、精度高、保護措施嚴密等特點。

　　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 脈沖電壓信號驅動電路的設計

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

　　(1)MC(Master Clock)是對整個器件進行操作的基礎，所有操作都在MC的控制下協作統一。MC控制寄存器進行像素尋址。MC的頻率不能高于384×288 MHz，且其占空比為50％。MC的上升和下降時間需低于lO ns。

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

　　(3)RESET信號能使UL03191復位，這樣，UL03191就會從探測器的有效區域的第一行開始積分。RESET信號必須在MC的上升沿改變狀態，且RESET信號不能在一幀內發生兩次及以上。RESET信號時長至少為1倍MC時間，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為探測器提供時鐘信號、RESET、積分脈沖INT等信號。CPLD通過對27 MHz晶振進行4分頻，為MC提供6．75 MHz頻率時鐘。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。脈沖時序的仿真圖如圖3所示。

　　2．3 溫度檢測及控制電路的設計