期刊論文基于CPLD的紅外焦平面陣列驅(qū)動電路的設(shè)計.pdf

SEM l C0NDUCT0R 0PTOELECTRON1 CS Vo1 29 No 1 Fe b 2 0 08 基 于 C P L D的紅外焦 平面陣列驅(qū)動 電路的設(shè)計 殷建 軍，丁瑞軍 ( 中國科學 院上海技術(shù)物理研究所 ， 上海 2 0 0 0 8 3 ) 摘 要 ： 紅外 焦平 面陣列是新 型 的紅外探 測 器 ， 為 了使 其 達到 理 想 的工 作狀 態(tài)， 需要 提 供 時 鐘驅(qū)動脈沖和偏置電壓。傳統(tǒng)的方法是通過重寫 E E P RO M 等方式來改寫驅(qū)動脈沖信號。設(shè)計 了 一 種使 用 C P D的紅外焦平面探測器時鐘驅(qū)動電路， 其電路結(jié)構(gòu) 簡單 ， 具有較強的器件驅(qū)動能力， 可實現(xiàn) C MO S T DI 2 8 8 4紅 外 焦平 面陣 列和 其他 超 長線 列 焦平 面陣 列 的驅(qū)動 ， 提供 可調(diào) 偏 置 電 壓 ， 為紅 外焦平 面 陣列的性 能調(diào)試提 供方便 。 關(guān)鍵詞 ： 線列紅外焦平面陣列 ； 驅(qū)動電路 ；可編程邏輯器件 中圖分類號 ：TN 2 l 6 文獻標 識碼 ：A文章編號 ：i 0 0 1 5 8 6 8 ( 2 0 0 8 ) 0 1 0 1 2 0 0 3 Pr o g r a ma b l e Dr i v e Ci r c u i t f o r I RFPA Ba s e d o n CPLD YI N J i a n u n ，D I NG R u i j u n ( S ha n gh a i I n s t i t u t e o f Te c hn ol o g y Phy s i c s，Chi n e s e Ac a d e my o f S c i e nc e s ，Sh a ng ha i 2 00 08 3，CHN) Ab s t r a c t ： I n f r a r e d f o c a l p l a n e a r r a y ( I RFP A)i s a n e w t y p e o f i n f r a r e d i ma g i n g d e v i c e To a c hi e v e b e t t e r p e r f o r m a n c e?I RFPA s ho ul d be a p pl i e d wi t h b i a s v ol t a g e o ut p ut s a n d c l o c k wo r k pul s e s The t r a di t i o na l wa y f o r de s i g ni ng dr i v i n g c i r c u i t i s t o r e wr i t e t he EEPROM A ne w de s i gn o f dr i v i n g c i r c ui t wi t h CPI D i s p r e s e nt e d i n t h i s pa pe r Th e a dv a n t a ge s o f t he c i r c ui t i n c l u d e s s ma l l s i z e ，h i g h f l e x i b i l i t y ，a d j u s t a b l e b i a s v o l t a g e o u t p u t s a n d S O o n T h e s e g i v e c o n vi n i e n c e s f or FPA t e s t i n g a l l t h e d e v i c e s Ke y wo r d s ： i n f r a r e d f o c a l p l a n e a r r a y ( I RFP A) ；d r i v i n g c i r c u i t ；CP LD 1 引言 隨著 大 規(guī) 模 集 成 電 路 和 微 電 子 機 械 加 工 ( ME MS ) 技 術(shù) 的發(fā)展 ， 紅 外 探 測器 技 術(shù) 取得 了驚 人 的進 展 。它 在現(xiàn) 代各 系統(tǒng) 中的應(yīng) 用 也越 來 越 廣 泛 。 新一代的紅外焦平面陣列( I RF P A) ， 由紅外探測器 陣列 和讀 出電路 ( ROI C) 兩部 分組 成 ， 因而 同時具 有 紅外輻射探測和信 號瀆出及處理能力 。采用混成結(jié) 構(gòu) ， 通 過銦柱 技 術(shù)將 探 測器 和讀 出電路 互 連 。2 0世 紀 8 O年 代 以后 ， C M( ) S工 藝 不 斷 成 熟 、 完 善 和 發(fā) 展 ， 晶體管結(jié) 構(gòu) 尺寸越來 越小 ， 目前 已發(fā)展 到深 亞微 米水 平 ?；?于 CMO S的讀 出 電路 正 越來 越 受 到 人 們的重 視 ， 用 C M( ) S技術(shù)設(shè) 計 的讀 出 電路 已實 現(xiàn) 了 低噪聲 、 高成品和高密度。C MO S TD I 2 8 8 4信號 收稿 日期 ： 2 0 0 7 一O _1 1 8 讀 出電 路 是 近 年 來 發(fā) 展 較 快 的 一 種 應(yīng) 用 于 T D I Hg C d Te紅外焦平面陣列器件的信號讀 出電路。 為焦平面陣列提供多路時鐘驅(qū)動脈沖和工作 電 源 、 偏 置 電壓的外 圍紅外 焦 平 面探 測 器 驅(qū) 動 電路 對 紅外焦平面陣列的輸 出信號影響較大 ， 對提高輸 出 信號的信噪比和調(diào)節(jié)探測器的工作狀態(tài)起 了非常重 要 的作 用 。本文 針對上 海技術(shù) 物理 研究所 研制 的 中 波 C MOS TD I 2 8 8 4紅外焦 平 面 陣列讀 出電路 的 時序設(shè)計驅(qū)動電路時序和偏置電壓 、 工作 電源 ， 同時 也考慮了電路的通用性 ， 在不更改硬件 電路的前提 下使該驅(qū)動電路能提供 C MOS 2 5 6 1和2 0 0 01 超長線列紅外焦平面陣列讀 出電路的驅(qū)動電路時序 和偏置 電壓 ， 為紅外 焦 平 面 電路 的性 能調(diào) 試 提 供方 便 。 維普資訊 半導體光電) ) 2 o 0 8年 2月第 2 9 卷第 1 期 殷 建軍 等 ： 基 于 C P L D的紅外焦平 面陣列驅(qū)動 電路的設(shè)計 2 C MO S T D I 信號讀出電路工作原理 具有時間延遲積分功能的紅外焦平面從結(jié)構(gòu)上 看 是一 個兩 維 面陣 ， 然 而從 功 能 上 說 它 又 相 當 于 一 個焦平面線列 ， 因此 ， 它是一個介于面陣和線列的產(chǎn) 品。它的列數(shù)相 當于線列的像元 素， 它 的行數(shù)為時 間延遲 積分 級 數(shù) 。對 于一 個 積 分級 數(shù) 為 N 的 TD I 焦平面， 在相同的積分周期的情況下 ， 輸 出信號幅度 比一般 的焦 平面線 列擴大 了 N 倍 ， 而噪聲 只增 加 N倍 ， 因此， 信噪比可以提高 N倍 。其原理如圖 1 。 一： 惹 積 分 用 搏 I i I 第3 個 i 上 秘分周期 j J ： 圖 1 T D I 讀出電路原理 圖 D1 、 D 2 、 D 3 、 D 4是 探 測 器 陣列 中 的一列 ， r為 積 分 周期 ， 其 值 等 于探 測 器 的 中 心 距 除 以 掃 描 速 率 。 掃描方 向如 圖所示 ， 則 目標 圖像依次掃過這 四個探 測 器 。圖 1 ( a ) 是 同一 目標 圖像 在 不 同 的積 分 時 刻 所 在 的位置 ， D1 最 先得 到 目標 圖像 ， D 4最 后得 到 。 當 目標圖像掃過一列探測器的每一個單元時， 各探測器將產(chǎn)生相應(yīng) 的電荷信號 ， 其中包含噪聲 ， 時 間延遲積分 的功能是將這些電荷信號疊加起來 。 圖 1 ( b ) 是 完 成 這 一 功 能 的 示 意 圖 。首先 將 探 測 器產(chǎn) 生 的 電荷 進 行 積 分 ， 然 后 經(jīng) 過 一 定 時 間 的 延 遲 ， 與其他探測器產(chǎn)生 的電荷相加 ， 這樣， 在輸出端 得 到 的是 四個探 測器 對 同一 目標 圖像 而產(chǎn) 生 的 電荷 的總 和 。 紅外探測器一般工作在負偏壓情況下 ， 這時無 光 照情 況下 的 動態(tài) 電 阻 R 大 ， 探 測 器 的 R。 A 較 高 ， 探測器與讀 出 電路耦合 有較好 的線性 度和注入 效 率 。同時 ， 反偏狀態(tài)下還能縮短載流子的渡越時間， 減小二極管 電容， 提高響應(yīng)速度。通 常探測器工作 在反偏 電壓十毫伏至幾 百毫伏之 間。偏置電壓精度 要 求在 5 mV左 右 。 3 驅(qū) 動 電路 設(shè)計 采用常規(guī)的小規(guī)模分立元件所設(shè)計的驅(qū)動電路 體積功耗大， 時序調(diào)整缺乏靈活性 ， 不利于紅外焦平 面陣列的研制階段的調(diào)試 。本 電路通過使用可編程 邏輯器件可 以同時生成多路信號 ， 可以靈活地修改 邏輯電路時序 ， 調(diào)整積分時間、 工作頻率等探測器參 數(shù) ， 使用電壓調(diào)節(jié)器方便地改變探測器偏置 電壓以 利于對探測器性能的測試 ?？删幊踢壿嬈骷妮敵?脈沖電平為 3 3 V， 探 測器工作脈 沖電平 為 5 0 V， 需要對脈沖電平進行轉(zhuǎn)換 。同時該 電路有較強的器 件驅(qū)動能力 ， 也可以使用 于其他大規(guī)模超長線列探 測 器 的驅(qū) 動 。 ( a ) 驅(qū)動電路原理框圖 ( h ) 外圍電路 圖 2 驅(qū)動電路和外 圍電路原理框 圖 3 1 時序 電路設(shè)計 本文使用硬件編程語言 ， 使用基 于 X i l i n x可編 程 邏 輯器 件 X C 9 5 1 4 4 XL T Q1 0 0 ， 在 I S E 6 2環(huán) 境下 開發(fā)的。該時序邏輯采用常用的 8位計數(shù)器對輸入 基準時鐘脈沖計數(shù) ， 由于采用高頻的基準時鐘脈沖， 對該電路有較高的產(chǎn)生競爭 冒險即毛刺可能。 本 電路采 用在 邏輯 設(shè)計 時主 要考 慮如 何消 除 當 讀 出電路高頻工作 時引入的 同步、 異步時序 冒險競 爭 。常用的增加冗余項的方法無法消除計數(shù)器所產(chǎn) 生的毛刺 ， 延遲法對延遲小 的線路增加毛刺寬度達 到消除毛刺的效果 ， 但是對 于負載和溫度的變化會 導致毛刺的重新產(chǎn)生。本文從硬件描述語 言人手， 找 出毛刺產(chǎn) 生 的根 本 原 因 ， 通 過語 言 設(shè) 計 產(chǎn)生 滿 足 要求的功能模塊 ， 使用帶使能端的 D觸發(fā)器代替原 來的觸發(fā)器， 把計數(shù)器最 后的輸 出接到觸發(fā)器 的使 能端 ， 使用統(tǒng)一 的計數(shù) 時鐘 ， 由于毛刺本 身是尖脈 沖， 不能滿足數(shù)據(jù)的建立時間和保持時間， 避免了產(chǎn) 生 的毛刺對 Q的輸 出影響?？删幊踢壿嬈骷旧?采用專門的時鐘線 ， 通過寄存器對外輸 出時鐘脈沖， 避 免 了毛 刺 的產(chǎn)生 。 具體設(shè)計一個計數(shù)器 ， 當有 同步信號時對其清 零 ， 并 同時開 始計 數(shù) ， 根 據(jù) 給定 時 間和系統(tǒng) 時鐘 周期 設(shè)定計數(shù)器的模數(shù)， 經(jīng)過給定的時間后輸出高電平 ， 滿足寬度后再置低 。實際要求檢測時間大約 1 S ， 脈 沖寬度保持在 2 0 ms 左右 計數(shù)器的輸 出接 D觸發(fā) 器的使能端。同步信號輸入后 ， 清零并開始計數(shù)， 若 不再 出現(xiàn) 同步 脈 沖 ， 經(jīng) 1 6 5個 時 鐘 周 期 后 ，RC O 端輸 出一個高電平， 使觸發(fā)器 的 Q輸 出高電平 ， 再 l 21 田 困 維普資訊 S EM I C0NDUCT0R 0PT0ELECTR0NI CS V0 1 29 No 1 F e b 2 0 08 過 1 6 3 2個時鐘周期后使 A， B， C， D接組合門電 路輸出低電平 ， 接到 D觸發(fā)器 的計數(shù)器預(yù)制端 ， 使 Q 輸 出為零 。這樣 就實現(xiàn) 經(jīng)一定 延時 后 的一 定寬度 的脈 沖。 圖 3 毛刺消除結(jié)構(gòu) 3 2外 圍電路設(shè)計 本文使用的探測器驅(qū)動脈沖電平需要 5 0 V， 而可編程邏輯器件輸出脈沖電平為 3 3 V， 低脈沖 電平會影響探測器輸 出， 因此需要經(jīng)過脈 沖電平轉(zhuǎn) 換 。采用緩沖器作為電平轉(zhuǎn)換用 ， 輸 出為高阻。圖 4為脈沖電平轉(zhuǎn)換原理框圖。采用上拉器件對將提 供 探測 器偏 置 電 壓 和 柵 電壓 由偏 置 電路 產(chǎn) 生 ， 圖 5 所 示 為可 調(diào) 偏 置 電路 原 理 圖 。通 過 精 密 電 壓 源提供 標準 參考 電壓 ， 經(jīng)分 壓 后 輸 出所 需 偏 置 電 壓 電壓 可調(diào)范 圍 、 廠 、 、 廠 。 為 0 0 3 V。 。 圖 4 驅(qū)動脈沖 電平轉(zhuǎn)換框圖 圖 5 可調(diào)偏置電壓源電路原理圖 4 實驗結(jié)果 圖 6為 I S E 6 2模擬產(chǎn)生 的 TD I工作脈 沖時 序。在將程序下載后 ， 實際檢測各脈沖信號滿足時 序 關(guān) 系 。 圖 6 驅(qū)動脈沖時序 使 用 S y p l i f y綜 合 設(shè) 計 后 ， 得 到 輸 入 時 鐘 CLKI N 一2 0 M 到 輸 出管 腳延 時 ， 如 表 1 。 表 1 輸入時鐘到輸出管腳 延時 管腳 延時 n s STARTXA 8 9 0 0 STARTYA 8 9 0 0 CPXA 5 5 0 0 CPYA 5 5 0 0 輸 出偏 置 電壓 0 1 V 可調(diào) ， 精 度 2 mV。 該設(shè)計 使用 S y n p l i f y 6 2 綜 合后 ， 完全 實現(xiàn)功 能 的設(shè)計 使用 芯片 的宏單 元數(shù) 為 4 4個 ， 寄存 器 4 1 個 ， 功能塊使用 6 4個。對可編程邏輯器件使用率降到 了比較 低 的水平 。 5 結(jié)論 本 文設(shè)計 了一種 C MOS T DI 4 2 8 8紅外 探 測 器的驅(qū)動電路， 該 電路由時序電路和外圍電路組成