专利名称：一种以pcb电路方式制作的单元热敏探测器件读出电路的制作方法
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I所示，分为电压偏置单元，积分放大单元，双米样输出单兀三个部分。电压偏置单元位于节点Al，A2之间，节点Al，A2分别连接正负电源，电容Rl，R2分别连同稳压管Dl，D2构成稳压电路，进一步稳定单元探测器的偏置电压，稳压管Dl负极接节点A3，正极接节点A14，稳压管D2正极接节点A4，负极接节点A14 ；电容Cl，C2为去耦电容，滤去电源电压中的高频分量。Ul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，在节点A5处输出信号至积分放大电路单元；单元热敏探测器Ul第三引脚接节点A3,第二引脚接节点A4,第一引脚接节点A5。U2A为四通道模拟开关的第一通道，其一端接A5，另一端接运算放大器U3的反相端，即节点A6，其控制端接信号sigl，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节点Al，节点A2 ;积分电容C7连接在节点A6，节点A7之间，U2B四通道模拟开关的第二通道，一端接节点A6，另一端接节点A7，其控制端接信号sig2，U2B断开时，电流信号在电容C7上积分，U2B闭合时，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，因此在运算放大器U3的同相端接零电位附近的参考电压VMf，调节精密电位器R5，即可调节VMf，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，电容R3，R4分别连同稳压管D3，D4构成稳压电路。相关双采样电路位于节点A7和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。U2C为四通道模拟开关的第三通道，一端接节点A7，一端接节点All ;运算放大器U4同相端接节点All，反相端与输出端接节点A12构成电压跟随器，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节点Al，节点A2 ;采样保持电容ClO —端接节点A12，一端接节点A13 ;U2D为四通道模拟开关的第四通道，一端接节点A13，一端接节点A14 ;在节点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(I)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。
图I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。
具体实施例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，sigl-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)8183为高电平，sigl，sig2, sig4均为低电平，本阶段对应信号的读出阶段。(2)阶段(2) sigl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ClO上，由于开关U2D闭合，ClO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)sigl, 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AS处参考电位V,ef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，流过电流增力口，但由于节点A6电压等于VMf，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ClO左极板电压为Vs，右极板上电压即为读出信号电压vwt，由于U2D闭合，ClO上电荷不发生转移，因此Vs-Vwt=QC=Vn,即Vtjut=Vs-Vn,信号由节点A13读出。
本电路进一步描述如下元件选择Ca)电阻R1，R2，R3，R4为型号为0805的510 Q贴片电阻；R6为型号为0805的5KQ贴片电阻，R5为型号为3296的IOKQ精密电位器。(b)电容C1, C2, C3, C4, C5, C6, C8, C9 为型号为 0805 的 0. Iuf 贴片钽电容。C7,ClO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ln4733a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0PA129UB运算放大器。
(f)采用±12V电源供电。
权利要求
1.ー种以PCB电路方式制作的单元热敏器件读出电路，包括偏置电路，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，连接在节点Al和节点A2之间，为单元热敏探測器件Ul提供稳定的偏置电压，节点Al和节点A2分别连接正负电源，节点A14接地；信号从节点A5输出； (b)所述的信号积分放大电路连接在节点A5和节点A7之间，信号sigl和sig2分别控制模拟开关U2A和U2B，当模拟开关U2B断开时，信号电流在电容C7上积分，转化为电压信号；当模拟开关U2B闭合吋，C7放电复位；节点AS处提供參考电平，调节电位器R5即可调节该參考电平大小，使输入信号为零时，输出信号为零； (c)所述的相关双采样电路连接在节点A7和节点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，从节点A13输出电压信号。
2.如权利要求I所述的ー种以PCB电路方式制作的单元热敏器件读出电路，其特征在于所述偏置电路中，电容Rl，R2分别连同稳压管Dl，D2构成稳压电路，稳压管Dl负极接节点A3，正极接节点A14，稳压管D2正极接节点A4，负极接节点A14 ；电容Cl，C2为去耦电容，滤去电源电压中的高频分量。
3.如权利要求I所述的ー种以PCB电路方式制作的单元热敏器件读出电路，其特征在于所述的信号积分放大电路中，U2A为四通道模拟开关的第一通道，其一端接A5，另一端接运算放大器U3的反相端，即节点A6，其控制端接信号sigl，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节点Al，节点A2上；积分电容C7连接在节点A6，节点A7之间，U2B四通道模拟开关的第二通道，一端接节点A6，另一端接节点A7，其控制端接信号sig2 ;运算放大器U3的同相端接零电位附近的參考电压VMf，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0PA129UB ;四通道模拟开关芯片采用MAX313芯片，积分电容C7采用聚苯こ烯电容。
4.如权利要求I所述的ー种以PCB电路方式制作的单元热敏器件读出电路，其特征在于所述的相关双采样电路中，U2C为四通道模拟开关的第三通道，一端接节点A7，一端接节点All ;运算放大器U4同相端接节点All，反相端与输出端接节点A12构成电压跟随器，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节点Al，节点A2上；采样保持电容ClO —端接节点A12，一端接节点A13 ;U2D为四通道模拟开关的第四通道，一端接节点A13，一端接节点A14 ;在节点A13处电压信号输出；电容ClO为聚苯こ烯电容，运放采用OPA129UB。
全文摘要
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。
文档编号G01J5/20GK102680112SQ20121014245
公开日2012年9月19日 申请日期2012年5月9日 优先权日2012年5月9日
发明者侯云, 周炜, 张雷博, 童劲超, 黄志明 申请人:中国科学院上海技术物理研究所