李騰飛，彭晶，孟超

（中國空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽 471000）

0 引言

焦平面芯片組件是紅外探測器的重要組成部分[1]，快速、準(zhǔn)確地評估紅外焦平面陣列的性能，對于提升探測器的整體性能具有重要意義。制冷型紅外焦平面探測器芯片的響應(yīng)測試需建立液氮溫度的低溫環(huán)境[2]，目前國內(nèi)針對制冷型探測器芯片低溫入檢及篩選都是通過金屬杜瓦進(jìn)行測試，存在成本高、裝配復(fù)雜和效率低的缺點(diǎn)，同時(shí)對芯片結(jié)構(gòu)會(huì)造成一定損壞。

低溫探針臺(tái)是能夠在低溫環(huán)境下對精密器件進(jìn)行可靠性檢測的重要測試設(shè)備[3]。采用低溫探針臺(tái)開發(fā)專用于制冷型紅外焦平面探測器的測試系統(tǒng)，對電路及芯片組件入檢和篩選，高效篩選出不合格組件，節(jié)省探測器的封裝成本。

圖1為基于低溫探針臺(tái)的紅外焦平面測試系統(tǒng)原理圖。低溫探針臺(tái)提供探針與被測芯片的接觸平臺(tái)，保證探針與被測芯片的精確接觸，同時(shí)提供芯片工作的低溫和真空環(huán)境。脈沖發(fā)生器和偏置電源在工控機(jī)控制下經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路為芯片提供時(shí)序脈沖和偏置電壓，探測器芯片輸出模擬信號(hào)，經(jīng)信號(hào)調(diào)理后轉(zhuǎn)換輸出高速數(shù)采卡所需信號(hào)，該信號(hào)需經(jīng)偏移、衰減和濾波等處理，高速數(shù)采卡對信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后傳輸至工控機(jī)，在工控機(jī)上進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析和圖形顯示等工作[4]。

圖1 低溫探針臺(tái)測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

信號(hào)調(diào)理電路屬于低溫探針臺(tái)紅外焦平面探測器測試系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，性能好壞直接決定系統(tǒng)測試精度。當(dāng)信號(hào)調(diào)理電路噪聲較大時(shí)，系統(tǒng)的探測靈敏度會(huì)降低，最終導(dǎo)致圖像分辨率下降。開發(fā)低噪聲信號(hào)調(diào)理電路對于提供系統(tǒng)性能具有重要意義，本文旨在開發(fā)一種符合上述要求的信號(hào)調(diào)理電路。

1 總體方案

信號(hào)調(diào)理電路的功能為將探測器輸出的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成紅外焦平面測試系統(tǒng)采集所需信號(hào)。紅外焦平面測試系統(tǒng)使用的高速采集卡為PXI9846D（凌華公司），其性能為：帶寬大于40MHz，輸入阻抗50Ω、輸入電壓范圍±1V時(shí)，RMS噪聲為5.0個(gè)LSB。

探測器芯片輸出響應(yīng)信號(hào)電壓范圍為0～5V，需經(jīng)調(diào)理電路對信號(hào)進(jìn)行偏移、衰減和濾波處理，滿足采集卡的輸入電壓范圍[5]。信號(hào)調(diào)理電路由低噪聲高穩(wěn)定偏置電源、低噪聲多路差分放大器和A/D適配模塊構(gòu)成，總體方案如圖2所示。探測器輸出響應(yīng)電壓信號(hào)為0～5V，驅(qū)動(dòng)能力弱，為能夠獲取完整的探測器輸出信號(hào)，首先通過一級(jí)電壓跟隨電路；之后通過分壓電路將0～5V電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成0～2V；接著第二級(jí)運(yùn)放采用減法器形式，將輸入信號(hào)和2V參考電壓做減法，實(shí)現(xiàn)將0～2V信號(hào)變換為-2～2V的信號(hào)；第三級(jí)運(yùn)放采用二階有源低通濾波器形式，最后通過分壓電路將-2～2V轉(zhuǎn)換為-1～1V。

圖2 探測器輸出信號(hào)調(diào)理電路總體方案

信號(hào)調(diào)理電路如圖3，該電路由四級(jí)運(yùn)放組成：第一級(jí)電路實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)跟隨功能，具有較大的輸入阻抗，能夠無損的采集探測器輸出信號(hào)，R1和C1構(gòu)成低通濾波器，減少輸入信號(hào)的干擾[6]。在第一級(jí)和第二級(jí)放大電路之間是信號(hào)分壓電路，通過R4和R6對信號(hào)進(jìn)行分壓，將0～5V電壓信號(hào)變?yōu)?～2V電壓信號(hào)；第二級(jí)電路是為減法器，將0～2V電壓信號(hào)變?yōu)?2～2V電壓信號(hào)，運(yùn)算公式為Uout=2*Uin-Uref,通過R3和R5將基準(zhǔn)電壓5V衰減為2V的參考電壓；通過第三級(jí)和第四級(jí)電路組成了SallyKey二階有源低通濾波器，帶寬約為25MHz到27MHz之間。通過R11和R12對信號(hào)進(jìn)行分壓，將-2～2V電壓信號(hào)變?yōu)?1～1V電壓信號(hào)。

圖3 信號(hào)調(diào)理電路原理圖

系統(tǒng)底噪和焦平面探測器的輸出性能與偏置電源緊密相關(guān)，而傳統(tǒng)電源一般只能達(dá)到1%的最優(yōu)穩(wěn)定度，而且其噪聲與開關(guān)電路相關(guān)聯(lián)[7]。為得到低噪聲的輸出偏置電源，本方案采用DA+PA的模式實(shí)現(xiàn)所需偏置電源（圖4），使用低噪聲的功率放大器，利用其優(yōu)秀的PSRR性能(一般能達(dá)到60dB)可將供電電源的噪聲由100mV降為200uV。為獲得高的穩(wěn)定度，設(shè)計(jì)時(shí)使用高穩(wěn)基準(zhǔn)（1ppm）作為DA（14bit）電路的參考源，可使其輸出紋波達(dá)到小于1mV。

2 測試結(jié)果分析與討論

2.1 信號(hào)調(diào)理電路性能驗(yàn)證

用某128x128陣列芯片的輸出（常溫條件）作為信號(hào)調(diào)理電路的輸入信號(hào)，輸出信號(hào)電壓范圍0～5V，信號(hào)頻率為5MHz。信號(hào)調(diào)理電路的輸出信號(hào)，輸出信號(hào)的電壓為-1～1V，經(jīng)測試，輸入信號(hào)下降沿115ns,輸出信號(hào)下降沿120ns，信號(hào)完整不失真，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2 信號(hào)調(diào)理電路與整機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)測試

后續(xù)同一芯片組件分別使用不同測試設(shè)備進(jìn)行驗(yàn)證。圖5（a）為使用法國某系統(tǒng)對杜瓦器件測試壞元圖，圖5（b）為使用低溫探針臺(tái)測試系統(tǒng)壞元圖，壞元對比較為一致。

圖5 壞元圖測試對比

3 結(jié)語

開發(fā)了一種用于低溫探針臺(tái)紅外焦平面探測器測試系統(tǒng)的信號(hào)調(diào)理電路，信號(hào)調(diào)理電路可將探測器輸輸出電壓0～5V轉(zhuǎn)換為-1～1V。經(jīng)測試，頻率5MHz鋸齒波信號(hào)，輸入信號(hào)下降沿115ns,輸出信號(hào)下降沿120ns，信號(hào)完整不失真，達(dá)到設(shè)計(jì)要求；將信號(hào)調(diào)理電路應(yīng)用于測試系統(tǒng)，與法國某系統(tǒng)測試杜瓦器件壞元圖對比，壞元分布數(shù)量較為一致，可以滿足紅外焦平面測試系統(tǒng)需求。