CN102680112B - 一种以pcb电路方式制作的单元热敏探测器件读出电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种以PCB电路制作的单元热敏器件读出电路，所述电路包括偏置电路，积分放大电路，相关双采样电路。偏置电路为单元热敏器件提供稳定的偏置电压，并将辐射信号转化为电流信号，该电流信号流经积分放大器转化为电压信号，然后被相关双采样电路采集。在信号输出端，相关双采样电路将辐射信号扣除电路噪声后输出。与集成电路上制作的读出电路相比，该PCB电路设计灵活，制作周期短，成本低廉，在对系统体积要求不大的情况下可以代替集成读出电路，作为探测器与红外成像系统的接口电路。同时该电路还可以作为测试电路和前置放大电路，实测单元器件的性能，在新型热敏器件的探索中有潜在应用价值。

Description

一种以PCB电路方式制作的单元热敏探测器件读出电路
技术领域
本发明涉及红外辐射探测技术，是一种热敏型单元红外辐射探测器件的PCB读出电路，属于微电子及光电子技术领域。
背景技术
红外热辐射信号由于极其微弱，常常淹没于噪声中。对于缓慢变化的红外辐射信号，其检测方法主要有两种：锁定放大和取样积分。锁定放大常常用于探测器件特性参数的测量中，而热探测器的读出电路一般使用取样积分的方式来实现。与锁定放大不同，取样积分的方式无需斩波调制，设备简单，适合做探测器件的读出电路。目前，一般的热敏器件读出电路是以集成电路的方式制作的，可以提高集成度，缩小系统体积，但集成电路需要流片，制作周期长，造价也非常昂贵。
发明内容
针对这个问题，我们设计了一种热敏探测器件的PCB读出电路，该电路可以很好的抑制噪声，提高信噪比，读出氧化钒，锰钴镍氧等材料单元热敏探测器件探测到的微弱红外辐射信号，且其成本要远远低于集成电路方式制作的读出电路，该电路不仅节约成本，而且可以在对系统体积要求不是很高的情况下代替集成电路，尤其适用于新型热敏器件的探索阶段，使用该读出电路可以取代集成电路实测热敏探测器件的性能。
本PCB单元热敏器件读出电路如图1所示，分为电压偏置单元，积分放大单元，双采样输出单元三个部分。
电压偏置单元位于第一节点A1,第二节点A2之间，第一节点A1，第二节点A2分别连接正负电源，第一电容C1，第二电容C2分别连同第一稳压管D1，第一稳压管D2构成稳压电路，进一步稳定单元探测器的偏置电压，第一稳压管D1负极接第三节点A3,正极接第十四节点A14,第二稳压管D2正极接第四节点A4,负极接第十四节点A14；第一电容C1,第二电容C2为去耦电容，滤去电源电压中的高频分量。
U1为单元热敏探测器，其结构如附图2所示，由探测元和补偿元（盲元）构成，盲元用于抵消由于背景温度波动等共模输入引起的信号变化，而探测元接收外界热辐射信号，产生电阻变化，在第五节点A5处输出信号至积分放大电路单元;单元热敏探测器U1第三引脚接第三节点A3，第二引脚接第四节点A4，第一引脚接第五节点A5。
第一模拟开关U2A为四通道模拟开关的第一通道，其一端接第五A5，另一端接第一运算放大器U3的反相端，即第五节点A6，其控制端接第一信号sig1，第一运算放大器U3使用正负电源供电，正负电源引脚分别连接到第一节点A1，第二节点A2；积分电容C7连接在第六节点A6，第七节点A7之间，第二模拟开关U2B四通道模拟开关的第二通道，一端接第六节点A6，另一端接第七节点A7，其控制端接第二信号sig2，第二模拟开关U2B断开时，电流信号在积分电容C7上积分，第二模拟开关U2B闭合时，积分电容C7放电复位。
单元热敏探测器件探测元和补偿元由于工艺问题不会完全对称，因此在第一运算放大器U3的同相端接零电位附近的参考电压Vref,调节精密电位器R5，即可调节Vref，从而实现零辐射信号输入的条件下，通过积分电容的电流为零，第三电阻R3，第四R4分别连同第三稳压管D3，第四稳压管D4构成稳压电路。
相关双采样电路位于第七节点A7和第十三节点A13之间，一个信号读出周期有两次采样过程，第一次采样在积分复位之后，采样噪声信号，第二次采样在积分结束之后，采样探测到的辐射信号，并将探测信号扣除上次采样的噪声信号。第三模拟开关U2C为四通道模拟开关的第三通道，一端接第七节点A7，一端接第十一节点A11；第二运算放大器U4同相端接第十一节点A11，反相端与输出端接第十二节点A12构成电压跟随器，第二运算放大器U4使用正负电源供电，正负电源引脚分别连接到第一节点A1,第二节点A2；采样保持电容C10一端接第十二节点A12，一端接第十三节点A13；第四模拟开关U2D为四通道模拟开关的第四通道，一端接第十三节点A13，一端接第十四节点A14；在第十三节点A13处电压信号输出。
相对集成电路制作的读出电路，本PCB读出电路的优点在于：
（1）积分电容和采样保持电容采用绝缘电阻大，穿透电流小，复位后残留电荷少的聚苯乙烯电容；
（2）采用已有的高精度，极低偏置电流运放，噪声小，读出精度高；
（3）制作周期短，成本低廉，电路参数更改灵活，适合作为新型热敏器件探索阶段的性能测试电路。
附图说明
图1为单元热敏探测器的PCB读出电路图。
图2为单元热敏探测器示意图。
图3为单元热敏探测器PCB读出电路时序图。
具体实施方式
下面结合附图对发明做进一步说明。
附图3为读出电路时序图，sig1-sig4分别控制模拟开关U2A-U2D，控制信号由红外成像系统的一块cpld芯片产生，电路工作过程如下：
（1）阶段（1）sig3为高电平，sig1,sig2,sig4均为低电平，本阶段对应信号的读出阶段。
（2）阶段（2）sig1为低电平，sig2,sig3,sig4为高电平，模拟开关U2B闭合，电容上电压信号复位，产生KTC噪声Vn=QC，通过模拟开关U2C和电压跟随器保存到采样电容C10上，由于开关U2D闭合，C10右极板接地，因此电位为零，左极板电压为噪声电压Vn。
（3）阶段（3）sig1,sig4为高电平，sig2,sig3为低电平。为信号的积分放大阶段，由于引入电压并联负反馈，运放输入端“虚短”，节点A6电位与A8处参考电位Vref相等，若探测器无信号输入，探测元上的电流全部流过补偿元，没有多余的电流流过积分电流C7，信号积分电压为零；若探测器上接收红外辐射信号，则探测元温度升高，阻值下降，流过电流增加，但由于节点A6电压等于Vref,因此流过补偿元电流不变，则多余电流通过模拟开关U2A在电容C7上积分
（4）经过阶段（3）回到阶段（1），模拟开关U2A闭合，积分结束，U2C闭合，U2D断开。若积分结束时积分电压为Vs,则此时采样保持电容C10左极板电压为Vs，右极板上电压即为读出信号电压Vout，由于U2D闭合，C10上电荷不发生转移，因此Vs-Vout=QC=Vn，即Vout=Vs-Vn,信号由节点A13读出。
本电路进一步描述如下
元件选择：
（a）电阻:R1，R2，R3，R4为型号为0805的510Ω贴片电阻；R6为型号为0805的5KΩ贴片电阻，R5为型号为3296的10KΩ精密电位器。
（b）电容：C1，C2，C3，C4，C5，C6，C8，C9为型号为0805的0.1uf贴片钽电容。C7，C10为直插型220pf聚苯乙烯电容。
（c）稳压二极管：D1，D2，D3，D4为型号为1n4733a的5V稳压管。
（d）四通道模拟开关：选用MAX313四通道模拟开关。
（e）运算放大器：U3，U4均选用OPA129UB运算放大器。
（f）采用±12V电源供电。

Claims (1)

1.一种以PCB电路方式制作的单元热敏器件读出电路，包括偏置电路，信号积分放大电路和相关双采样电路，其特征在于：
（a）所述的偏置电路，连接在第一节点A1和第二节点A2之间，为单元热敏探测器件U1提供稳定的偏置电压，第一节点A1和第二节点A2分别连接正负电源，第十四节点A14接地；信号从第五节点A5输出；所述偏置电路中，第一电容C1，第二电容C2分别连同第一稳压管D1，第二稳压管D2构成稳压电路，第一稳压管D1负极接第三节点A3,正极接第十四节点A14,第二稳压管D2正极接第四节点A4,负极接第十四节点A14；第一电容C1,第二电容C2为去耦电容，滤去电源电压中的高频分量；
（b）所述的信号积分放大电路连接在第五节点A5和第七节点A7之间，第一信号sig1和第二信号sig2分别控制第一模拟开关U2A和第二模拟开关U2B，当第二模拟开关U2B断开时，信号电流在积分电容C7上积分，转化为电压信号；当第二模拟开关U2B闭合时，积分电容C7放电复位；第八节点A8处提供参考电平，调节电位器R5即可调节该参考电平大小，使输入信号为零时，输出信号为零；所述的信号积分放大电路中，第一模拟开关U2A为四通道模拟开关的第一通道，其一端接第五节点A5，另一端接第一运算放大器U3的反相端，即第六节点A6，第一模拟开关U2A的控制端接第一信号sig1，第一运算放大器U3使用正负电源供电，正负电源引脚分别连接到第一节点A1，第二节点A2上；积分电容C7连接在第六节点A6，第七节点A7之间，第二模拟开关U2B为四通道模拟开关的第二通道，一端接第六节点A6，另一端接第七节点A7，第二模拟开关的控制端接第二信号sig2；第一运算放大器U3的同相端接零电位附近的参考电压Vref,调节精密电位器R5，即可调节Vref，采用高精度低噪声极低偏置电流运放OPA129UB；四通道模拟开关芯片采用MAX313芯片，积分电容C7采用聚苯乙烯电容；
（c）所述的相关双采样电路连接在第七节点A7和第十三节点A13之间，用于噪声信号和辐射信号的采样和保持，同时在模拟开关的控制下将两者相减，从第十三节点A13输出电压信号；所述的相关双采样电路中，四通道模拟开关的第三通道U2C，一端接第七节点A7，一端接第十一节点A11；第二运算放大器U4同相端接第十一节点A11，反相端与输出端接第十二节点A12构成电压跟随器，第二运算放大器U4使用正负电源供电，正负电源引脚分别连接到第一节点A1,第二节点A2上；采样保持电容C10一端接第十二节点A12，一端接第十三节点A13；四通道模拟开关的第四通道U2D，一端接第十三节点A13，一端接第十四节点A14；在第十三节点A13处电压信号输出；采样保持电容电容C10为聚苯乙烯电容，运放采用OPA129UB。
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