基于SPRITE探測器的低噪聲前置放大器的設計

1、基于SPRITE探測器的低噪聲前置放大器的設計王惠林1,齊華1,紀明2(11西安工業(yè)學院電子信息科學與工程系,陜西西安710032;21西安應用光學研究所摘要:為拓展熱成像技術的應用,使其可以應用到除軍事領域外的其它商業(yè)范圍,本文就其中的微弱信號處理技術進行了研究.采用國內(nèi)市場可購得的AD797作核心芯片,對SPRITE探測器輸出的微弱信號進行了放大、緩沖,并給出了有關參數(shù)及設計時應注意的幾個問題.關鍵詞:SPRITE探測器;前置放大器;微弱信號檢測WANG Hui-lin1,QI Hua1,JI Ming2(1.Dept of E lct Engr,X ian Inst of T ech,X

2、 ian710032,China;2.X ian Inst of App OptAbstract:The weak signal processing in the technology of thermal imaging is studied in this paper to expand the application of the technology of thermal imaging which is to be applied to commercial areas besides the military purposes. The weak signal output of

3、 the SPRITE detector is am plified and bu ffered by the avilable AD797as the core IC. Furtherm ore,the related parameters and several problems,which particular attentions should be paid to,in the design is given.K ey Words:SPRITE detector;pream plifier;weak signal detecting熱成像技術作為一種先進的夜視技術,已經(jīng)得到了各國的重

4、視和發(fā)展,在采用串、并掃II類通用組件熱像儀中,國內(nèi)一般采用光導型的碲鎘汞(C MT紅外探測器:SPRITE(signal processing in the element.該器件由一條長約1mm、寬約50m、厚約10m的N型C MT形成,含有三個歐姆電極.恒流電路通過兩個端電極提供偏壓,第三個電極為信號讀出區(qū)的電位探頭.SPRITE探測器的工作重點是要建立一個偏置電場,使得雙極漂移速度等于圖像沿器件的掃描速度,把紅外圖像中的空間信息復制成為窄條中的過剩載流子的濃度,并將所復制的積分載流子保存起來(載流子擴散使?jié)舛冉档?直到由載流子調(diào)制讀出區(qū)的阻抗而引起一個輸出信號,該輸出信號平均為0.1m

5、V左右1,2.如此微弱的信號,要交由后級電路使收稿日期:2000212229作者簡介:王惠林(1971-,男(漢,西安工業(yè)學院碩士研究生.用,必須事先予以放大,緩沖.考慮到微弱信號容易淹沒在噪聲之中,以及放大電路不僅會放大有用信號,同時也會放大噪聲信號.所以,通常在設計這類放大器時,需要根據(jù)微弱信號檢測理論,在滿足增益、帶寬、輸入和輸出阻抗等要求的同時,盡量減少測量過程中引入的觀測噪聲,使其具有小的等效輸入電壓噪聲譜密度E n .對于軍用熱像儀,國內(nèi)、外都采用專用集成電路(ASIC 完成此項工作,但ASIC 的專用性卻限制了該技術在其它行業(yè)的發(fā)展與應用.為拓展其通用性,本文介紹了一種采用價格并

6、不昂貴的超低噪聲運算放大器,運用微弱信號檢測理論進行低噪聲電路設計的一個具體實例,最終使輸入短路態(tài)的等效輸入電壓噪聲譜密度E n 3.0nV/H z (在30kH z 處,并通過在國產(chǎn)類通用組件熱像儀中的實驗,驗證了該方案的工程可行性.1設計原理及分析1.1低噪聲半導體器件的選取低噪聲放大器的設計關鍵是低噪聲半導體器件(例如雙極晶體管和結型場效應管等的選取、低噪聲電子線路及其工作狀態(tài)的優(yōu)化設計,同時還包括減少放大器外來干擾的技術措施.其主要目的是在給定信號源(包括信號源阻抗的條件下,使信號在其工作頻率范圍內(nèi)有最小的噪聲.在選擇半導體器件及其工作點時,還要滿足信號源阻抗與放大器的噪聲匹配.SPR

7、ITE 探測器為光導型紅外探測器,其信號源阻抗隨光照度的變化而改變,但其量級為幾百歐姆左右.對于該量級的信號源,一般可選用晶體管、結型場效應管、運算放大器等器件3.考慮到集成運算放大器使用的便利性,故擬采用低噪聲的集成運放作為該放大電路的主要元件.經(jīng)過認真篩選,最終選定美國AD 公司的超低噪聲運算放大器AD797作為與探測器相聯(lián)的低噪聲放大器件.該芯片是一款超低噪聲、低失真度的運算放大器,是用于專業(yè)音響、紅外、CC D 以及聲納成像系統(tǒng)中前置放大的理想之選.1.2設計方案及分析鑒于SPRITE 探測器對其前置放大器的要求以及AD797本身的指標,擬采用兩級放大的形式,第一級即前級,主要用于低噪

8、聲放大.根據(jù)弗里斯公式3(多個放大器級聯(lián)后的總噪聲系數(shù)計算公式F =F 1+F 2-1K PA 1+F 3-1K PA 2K PA 1+F 4-1K PA 3K PA 2K PA 1+ (1982第4期王惠林等:基于SPRITE 探測器的低噪聲前置放大器的設計 G (s =1+R 2R 11 1+sT 1(2圖1前級電路原理圖級決定,因而后級放大器芯片的選取條件可以適當放第一、第二和第三個運放組成電路的傳遞函數(shù)分別為G 1(s =-R 2R 11+sR 1C 11+sR 2C 2(3G 2(s =-R 4R 3(1+sR 3C 3(4G 3(s =-R 6R 51sR 6C 6(5(3式中R

9、2C 2主要是限制系統(tǒng)總帶寬 ,防止過多的噪聲進入放大電路;(5式中R 6C 6主要圖2后級電路原理圖是抑制高頻噪聲.放大器的前級帶寬為1.5MH z ;為補償前級帶寬1.5MH z (< 3.5MH z ,后級第一個運放中有一處增益提升1+R 1C 1,該處的頻率應取在1.5MH z 處.后級第二個運放中還有一處增益提升1+R 3C 3,這是為滿足指標要求700kH z 處增益提升25.5dB 而設的,反相電路是為滿足熱像儀系統(tǒng)的要求而增加的.系統(tǒng)總的傳遞函數(shù)為G (s =-K s 2(1+sR 3C 3(1+sR a C a (1+sR i C i (1+sR 2C 2(1+sR 6

10、C 6系統(tǒng)幅頻特性如圖3所示,其中,f =0.33H z 時增益為50.79dB ;f =10kH z 時增益為54.17dB ;f =3.54MH z 時增益為50.39dB ;f =700kH z 時增益為59.21dB.由圖3可知,該放大器-3dB 帶寬為0.33H z 3.54MH z ,并滿足700kH z 處增益提升25.5dB 的要求.經(jīng)檢測,該前置放大器等效輸入噪聲譜密度E n 3.0nV/H z (在30kH z 處,符合設計要求.與熱像儀聯(lián)調(diào)結果表明,圖像質量滿足要求.2抗干擾設計本文所論及的低噪聲放大器要安裝在熱像儀光機掃描器上,由于掃描器的體積限制以及其中存在一個轉速為

11、19500r/min 的掃描電機,為抑制電磁干擾,達到熱像儀電磁兼容(E MC 的標準要求,在電路設計上還采取了下列抑制干擾的措施.92西安工業(yè)學院學報第21卷 圖3系統(tǒng)幅頻曲線制做了金屬屏蔽盒,將放大電路至于盒內(nèi)且屏蔽盒與大地相連,以排除外部電磁干擾;在繪制印制電路板時,前級電路和后級電路的元器件分別集中安排,避免后級對前級的干擾;放大電路選用金屬膜電阻和鉭電容,因為這些阻、容元件所產(chǎn)生的電氣噪聲相對較小,另外,在前級電路中,根據(jù)電阻噪聲電壓譜密度公式3:Se (f =Se(f 1+Se (f 2,應選取盡量小的電阻值,這樣做可降低元件所產(chǎn)生的熱噪聲,如在本設計中,圖1所示前級放大電路的R

12、1取10,R 2取1k .3結論實驗證明,該設計方案是可行的,能夠滿足系統(tǒng)規(guī)定的一系列指標要求,經(jīng)實際檢測,系統(tǒng)等效輸入噪聲譜密度E n 3.0nV/H z (在30kH z 處,輸出動態(tài)范圍為:±10V ,-3dB 帶寬為0.9H z 3.54MH z ,滿足設計要求.該設計方案是在微弱信號檢測理論的基礎上進行的,與一般的低噪聲放大器比較,它具有帶寬高、噪聲小的特點,另外,因為采用價格并不昂貴的集成運放,故性能成本比有很大提高,應用范圍也得到擴展.參考文獻:1RICH ARD F LEFT WICH ,RODNEY W ARD.Latest developments in SPRITE detector technologyJ .SPIE ,1988,930:762G len