红外探测器测试系统噪声分析与抑制方法研究

贾天石;崔坤;薛玉龙;苏晓锋

【摘 要】随着红外焦平面技术的发展,探测器规模变得越来越大,像元噪声水平越来越低,因此对红外探测器测试系统噪声水平提出了更高的要求.本文从线缆、采集电路、电源和偏压以及ADC四个部分分析其对系统的影响,较为完整地分析了系统的噪声,并对相应部分噪声抑制方法进行研究.测试结果表明红外探测器测试系统动态范围优于100 dB.%With the development of infrared focal plane (IRFPA) technology,the detector size becomes larger and larger,and the pixel noise level is lower and lower,so higher requirements for the infrared detector test system noise level are put forward.The influences of the cable,the acquisition circuit,the bias voltage and the ADC on the system were analyzed,and the corresponding noise suppression methods were studied.The test results show that the dynamic range of the test system is better than 100 dB.

【期刊名称】《激光与红外》 【年(卷),期】2017(047)011 【总页数】7页(P1373-1379)

【关键词】红外;信息获取;测试系统;噪声抑制 【作 者】贾天石;崔坤;薛玉龙;苏晓锋

【作者单位】上海大学,上海200072;中国科学院上海技术物理研究所,上海200083;中国科学院上海技术物理研究所,上海200083;中国科学院上海技术物理研究所,上海200083;中国科学院上海技术物理研究所,上海200083 【正文语种】中 文 【中图分类】TN216

近年来,红外技术与系统在工业、医学和科学研究等许多领域得到了广泛的应用和发展。红外探测器是红外系统的关键技术和核心器件。红外焦平面阵列(IRFPA)探测器的发展极大地提高了红外系统的性能。随着红外面阵规模越来越大,必须发展高速、多路、低噪声的信息获取电路以满足其需求。与红外探测器信息获取系统不同,红外探测器测试系统需要更高的噪声水平要求。目前,国内外商用红外探测器信息获取电路动态范围在80 dB[1]左右,国外航天用红外探测器信息获取电路在90 dB[2-4]以上。低噪声的系统设计决定了数据后续处理的计算精度,具有至关重要的意义。基于以上考虑,本文分析红外探测器测试系统噪声的来源,以及各个部分噪声特性进行分析,并给出相应的抑制方法。

完整的测试系统要对器件提供光源激励,同时由控制模块对器件提供驱动,偏压,使其正常工作,并对电信号进行采集和存储,最后将数据计算分析,并对器件的性能进行评价[5]。对于噪声来说,测试系统的噪声主要产生于电子模块,下面针对电子模块噪声进行详细分析与抑制方法研究。

红外成像系统的信号流程图如图1所示,在信息转化的每一个环节中都会相应的引入额外的噪声。

研究探测器的噪声对红外探测器来说有着重要意义,但对于测试系统来说,探测器组件作为输入对象,在整个系统中作为一个整体组件进行分析。目前探测器组件RMS噪声在200 μV左右[6]。

1) 线缆噪声分析

线缆用于连接探测器组件和信息获取电路。

线缆不仅是系统中最长的部分,而且它还类似于一个拾取和辐射噪声的高效天线,是噪声传导的良好通道,因此线缆是系统中最薄弱的部分。 2) 调理电路噪声

调理电路主要将探测器输出信号调理成与ADC器件输入范围相匹配,以达到动态范围相匹配的作用。

仪器仪表放大电路具有高共模抑制比,高输入阻抗,低噪声,低线性误差,低失调电压和失调电压漂移,低输入偏置电流和失调电流误差,带宽充裕等特征。适合光电成像系统,能够较好地完成图像信息的获取工作[6]。具体的信息获取电路如图2所示。 电阻和运放噪声是调理电路噪声来源主要部分,在该电路中电阻和运放本身均是非理想器件,电阻在电流流过时不可避免产生热噪声,运放则主要包括n端和p端的等效输入电流噪声及两端之间的等效输入电压噪声具体如图3所示。

根据电阻和运放噪声模型,可以得到该电路的噪声总体模型如图4所示。分成三部分建模分析。 输入部分噪声: V1_p=V1_n= 标准减法电路噪声: V2=

滤波电路噪声: V3=

式中,ENB为信息通道的噪声等效带宽;T为电路所工作的温度;iw为运算放大器高频电流白噪声谱密度大小;ew为运算放大器高频电压白噪声谱密度大小;fH为电路截止频率;fL为分析所选择的最低频率值;fic和fec则分别代表运放电流和电压噪声

的频谱转角频率点,其余的则具体为各个电阻的对应阻值。 3) 电源及偏压噪声

电源输出模块,如LDO和DC/DC等,在输出电压时,都会有一定的输出纹波,在器件的Datasheet中有明确的规格参数,对这一类噪声,一旦IC供电芯片确定了,这部分噪声也就确定了,但是如果负载瞬态电流的变化速率要求高些,供电IC就无法对负载的需求做出实时的响应,这样就会出现电压的跌落,从而引入噪声,对于高于供电IC实时响应的瞬态负载电流,就需要增加额外的去耦电容满足这一需求[7]。我们采用不同容值不同材质的电容组合可以有效去耦。 4) ADC噪声

模拟数字转化(ADC)模块主要完成模拟图像信号的模拟数字转化工作,对于ADC由于有效量化位数的限制,存在着不可避免的量化噪声,量化噪声主要受到信号统计特征和量化位数的限制。量化噪声是目前信息获取系统中一个必然存在的量,随着量化位宽的增加呈指数下降的趋势。对于ADC器件除了存在量化噪声这一物理量之外还存在半导体器件共同具有的1/f噪声,热噪声等,只是这些噪声在器件设计之初已经被很好的限制,相对于量化噪声可以忽略不计,因此在实际分析中只需要重点关注量化噪声[6]。

一个噪声问题的产生必须具备三个要素:首先,必须要有噪声源；其次,必须有对噪声敏感的接受器；第三,必须有一个将噪声从源头传送到接收器的耦合路径。如图5所示。

通常,有三种方法可以切断噪声的耦合路径: 1) 在噪声源头对噪声进行抑制； 2) 降低敏感电路对噪声的敏感程度； 3) 减小通过耦合路径传输的噪声大小。

在某些情况下,噪声抑制技术必须使用切断噪声路径方法中的两个或所有三个方面。

在红外探测器测试系统中,我们将噪声抑制方法归纳如图6所示。

本文用动态范围DR来评价系统噪声性能。红外焦平面探测器在均匀辐照条件下,饱和辐照功率与噪声等效功率之比为DR,为了计算方便,一般取探测器最大输出摆幅与探测器噪声电压的比值。计算公式如下: DR=20log

式中,Vsat为探测器输出摆幅电压；为平均噪声电压。

实验采用控制变量法,每组数据均在测试系统其他条件不变的情况下,改变单一影响因素,采集200帧数据进行计算。下面给出各部分噪声抑制方法及其效果。 3.1 线缆噪声抑制

采用屏蔽线能从噪声耦合路径有效抑制噪声进入系统。而接口电路是解决线缆辐射问题的重要手段,减小线缆上共模高频电流我们需要合理设计线缆端口处的接口电路,通过在线缆接口处使用低通滤波器或抑制电路,滤除线缆上的高频共模电流。连接器的主要作用是给线缆和接口电路提供一个良好的互连,并保证良好的接地,连接器要考虑阻抗匹配、ESD等因素[7]。

在低频时,屏蔽线缆拾取噪声电压与裸线相同,当频率大于屏蔽层截止频率时,屏蔽线拾取电压不再增加[7]。

为了保证低噪的系统输入,我们使用板内低噪参考源ref(RMS噪声22 μV),使用50 Hz电扇模拟噪声源,对比使用sff屏蔽线缆和裸线时系统的噪声情况。

噪声会通过线缆进入系统,影响系统噪声性能。表1数据显示屏蔽线从耦合路径处抑制噪声进入系统,能很好起到降噪效果,在不加噪声的情况下提高5 dB,在有噪声的情况下提高45 dB。

端接滤波电容可以有效抑制高频噪声进入系统,滤波电容的大小由信号的膝频率Fknee决定,当电路允许该频率的信号通过时,则系统便完全可以满足使用需求。根据低通滤波器模型,假设信号Fknee=50 MHz,线缆特性阻抗50 Ω,则需要60 pF的

滤波电容。

表2数据显示端接电容滤波效果还是很显著,在有噪声源的情况下提高4 dB,在无噪声源的情况下提高1 dB。

屏蔽线缆屏蔽层接地方式有很多种[7],针对测试系统采用图8接地方式。屏蔽层接地情况直接影响噪声抑制效果。

表3数据表明在接地良好的情况下,屏蔽效果好,外部噪声源对系统影响很小,探测器组件噪声为主要噪声源；当接地不良时,外部噪声进入系统,对系统噪声产生严重影响。

3.2 调理电路噪声抑制

通过前面调理电路的噪声模型分析可知,噪声主要来自于运放噪声和电阻热噪声,并与系统带宽有关。因此从设计的角度考虑,运放的选择应该遵循在带宽满足要求的情况下,选择电压噪声密度和电流噪声密度更低的器件。电阻在满足电路放大倍数和运放自身阻抗要求的情况下,选择较小的阻值[8]。

实验系统带宽选择20 M,以满足探测器带宽要求。探测器帧频10左右,选择fL=10 Hz,为方便计算电阻都选择R=1 K,模拟使用LT6230,根据手册得到其对应的运放参数为:

fic=10 K,fec=10 K, in=1 pA/,en=1.1 nV/

根据电路模型计算,运放引入的噪声为8.4 μV,电阻热噪声为26.3 μV,则电路总噪声为27.7 μV,相对于200 μV的探测器组件噪声,完全能满足系统设计的需求。对比此时各噪声的分量,可见系统的主要噪声受限于热电阻噪声,因而在满足系统输入阻抗的前提下,尽量采用低阻抗的电阻作为系统的参数。

在采用相同的电路设计时,使用LT1810作对比分析,根据手册得到其对应的运放参数为:

fic=10 K,fec=10 K, in=5 pA/,en=16 nV/

计算得到运放引入的噪声为94.5 μV,电阻热噪声为26.3 μV,则电路总噪声为98.2 μV,可见此时运放本身的噪声电流成为了系统的主要噪声源。对比LT6230,电路的噪声增加了3.5倍,可见在低噪声信号调理电路设计中选用低噪声电压和电流的运放对电路设计有重要的意义。

基于以上考虑,本文使用的运放器件为LT6230。 3.3 电源和偏压噪声抑制

在电源或者偏压的出入输出端并接电容,可有效抑制电源和偏压处的噪声。 电容模型包含一个LCR电路,电容的阻抗随着信号频率出现先降后升的情况,在自谐振频率上,电路产生振荡提供非常低的阻抗。选择旁路和去耦电容时,并非取决于电容值的大小,而是电容的自谐振频率,并与所需旁路式去耦的频率相匹配。 Z=

图9为电容的等效电路。图10为一个10 μF的电容带5 nH电感10 mΩ情况下得到的阻抗随频率的变化曲线。

在实际应用中,两个电容并联使用能提供更宽的抑制带宽,这两个并联电容需要有不同量级,一般100倍[7],以达到最佳效果。如图11所示,10 μF和0.1 μF电容并联,频带展宽。另外,两个相同容值的电容并联,也可以提高去耦的效率和频率,这是因为电容并联后ESR和ESL因并联而减小,如图12所示。

ADC参考源源端噪声直接影响电路噪声性能。表4数据显示当ADC参考源处加高频电容时,能有效抑制噪声进入系统。 3.4 ADC噪声抑制

如果放大器噪声过大,ADC 将会原封不动地将放大器电路的噪声转换为数字输出。另一方面,ADC 的噪声很有可能比放大器电路的噪声还要大。以下就从前级电路噪

声和ADC性能分析比较,用信噪比(SNR)衡量前级电路噪声与ADC是否匹配。系统SNR匹配计算如表5所示。

上表显示了不同前级噪声(Vn)下不同ADC匹配关系。采用14 bit ADC,前级电路噪声和ADC本身对系统影响都比较大；采用16 bit和18 bit ADC,前级电路噪声对系统影响较大。现代高性能ADC利用差分输入来抑制共模噪声及干扰,且将动态范围提高1倍,并通过平衡信号提高总体性能。

基于以上分析,不考虑探测器噪声情况下,前级电路噪声越低越好,在本设计中,ADC前端电路噪声仅有30 μV,本文使用24 bit全差分ADC LTC2380-24作为模数转换器件。

基于以上设计方法,最终电路结构如图13所示。

实验采用Infrared Detector Characterization Test System (IDCTS)测试系统进行测试 [9]。ADL模块支持四通道采集,每个通道24 bit量化精度,最高2 Msps采样率,每通道噪声低于50 μV,动态范围达到102 dB。实测数据如表6所示。 测试ADL模块,2.5 V偏压输入500 ksps采样率下,测试结果如图14、15所示。 分析结果表明,线缆和接口是系统中最为薄弱的部分,应尽可能采用短屏蔽线和良好的接地；采用合适的信号调理电路；在带宽满足的情况下,使用噪声水平低的运算放大器；对电源、参考源有效去耦；使用高性能ADC器件。采用以上设计方法可有效降低系统噪声,最终测试系统动态范围达到100 dB,满足第三代红外探测器[10]动态范围要求。

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