基于碲镉汞探测技术的高速通道板的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于碲镉汞探测技术的高速通道板。目前的碲镉汞的放大电路存在共模抑止比低，响应时间长，灵敏度和稳定性差等缺陷。一种基于碲镉汞探测技术的高速通道板，其组成包括：信号采集模块（1）、信号放大模块（2）、滤波模块（3）和电源模块（4），信号采集模块包括与基准电压（5）连接的MCT碲镉汞探测器（6）、由op37精密运算放大器（7）组成的电压跟随器，MCT碲镉汞探测器和op37精密运算放大器连接信号输出端（8）；信号放大模块内具有依次连接的信号输入端（9）、一级差分放大电路（10）、二级比例放大电路（11）、三级比例放大电路（12）；滤波模块采用二阶有源低通滤波电路。本发明应用于MCT红外探测器放大电路。
【专利说明】基于碲镉汞探测技术的高速通道板
[0001]【技术领域】:
本发明涉及一种基于碲镉汞探测技术的高速通道板。
[0002]【背景技术】:
在红外探测技术的飞速迅猛发展引起了国内外的关注的同时，如何设计其低噪声前置放大器电路成为红外探测器研究的热点。美国Honey well公司研制碲镉汞探测器以扩大他们的能力和系统应该。已证明长波红外光电导碲镉汞探测器多元阵列的低Ι/f曲线拐点是在1000赫兹一下，在87K时,其探测度为3j8x10m厘米赫丨瓦，比响应度为:L4xMP伏/瓦。而根据要求针对前置放大电路和主放大电路具体的低噪声设计及其分析却是一个空点也越来越受到关注。因为过大的电路干扰可能会降低放大电路的性能甚至会淹没有用信号，因此必须精心设计低噪声放大电路。
[0003]目前的碲镉汞的放大电路都是低噪声晶体管，合理选用工作点，并采用低噪声偏置电路等降低噪声的措施，使放大器的噪声指标达到设计的要求。但是这存在共模抑止比低，响应时间长，探测器的灵敏度和稳定性差等缺陷，很难用到高精密测量的领域。
[0004]
【发明内容】
:
本发明的目的是提供一种基于碲镉汞探测技术的高速通道板。
[0005]上述的目的通过以下的技术方案实现:
一种基于碲镉汞探测技术的高速通道板，其组成包括:信号采集模块、信号放大模块、滤波模块和电源模块，所述的信号采集模块包括基准电压，所述的基准电压连接MCT碲镉汞探测器、由op37精密运算放大器组成的电压跟随器，所述的MCT碲镉汞探测器和op37精密运算放大器连接信号输出端；所述的信号放大模块内具有依次连接的信号输入端、一级差分放大电路、二级比例放大电路、三级比例放大电路，其中，所述的信号采集模块的信号输出端连接所述的信号放大模块的信号输入端；所述的滤波模块采用反相同比例50HZ的二阶有源低通滤波电路。
[0006]所述的基于碲镉汞探测技术的高速通道板，所述的基准电压主要包括精密电压源Ql和精密电压源Q2，所述的精密电压源Ql连接电源滤波电容Cl和C14 ;所述的精密电压源Q2连接电源滤波电容C2和C15。
[0007]所述的基于碲镉汞探测技术的高速通道板，所述的基准电压通过精密电阻R5与所述的MCT碲镉汞探测器分压，所述的MCT碲镉汞探测器通过插针J5连接所述的信号输出端的Sll ;所述的基准电压分别连接电阻R3和可调电位器R4，所述的电阻R3与可调电位器R4串联，所述的可调电位器R4的信号输出端连接所述的op37精密运算放大器，所述的op37精密运算放大器连接所述的信号输出端的S12。
[0008]所述的基于碲镉汞探测技术的高速通道板，所述的一级差分放大电路内Rll连接精调电位器R12的调节端，所述的精调电位器R12连接粗调电位器R13的调节端。
[0009]所述的基于碲镉汞探测技术的高速通道板，所述的滤波模块中J16为滤波信号输入端，J17为滤波信号输出端。
[0010]本发明的有益效果:1.本发明的电路结构包括信号采集模块、信号放大模块、滤波模块和电源模块，而信号采集模块利用MCT碲镉汞探测器作为信号放大电路，并利用精密电阻R5为MCT碲镉汞探测器提供分压，用于碲镉汞红外探测器高精密微弱的信号放大，使MCT接受红外线照射时其电阻变化的测量精度达到毫殴级的，其测量值转化为电压时达到0.1V数量级，响应时间达到毫秒数量级。
[0011]2.本发明在设计电路时，为了得到更高的共模抑止比，采用了目前性能最好的低噪声运算放大器0P37。为了提高整个电路的稳定性，也采用了最精密的基准电压源LM399。由于滤波电路中存在工频干扰，所以在电路的第二级放大的输出端加了一个50HZ的低通滤波器，防干扰的效果明显优于没有滤波的电路。
[0012]3.本发明另外在排除干扰方面，还采用了多级放大，以提高电路的稳定性。由于原电路中第一级放大倍数太大(近450倍)，各种干扰的信号也随之放大，以致目标信号被淹没。故采用了分级放大加滤波来消除干扰形成现在的一级跟随、一级差分，二级比例和三级比例放大 电路。
[0013]【专利附图】
【附图说明】:
附图1是本发明的电路原理图。
[0014]附图2是本发明的PCB板电路理图。
[0015]附图3是本发明的信号采集模块的电路原理图。
[0016]附图4是本发明的信号放大模块的电路原理图。
[0017]附图5是本发明的滤波模块的电路原理图。
[0018]附图6是本发明的差分放大电路原理图。
[0019]【具体实施方式】:
实施例1:
一种基于碲镉汞探测技术的高速通道板，其组成包括:信号采集模块1、信号放大模块
2、滤波模块3和电源模块4，所述的信号采集模块包括基准电压5，所述的基准电压连接MCT碲镉汞探测器6、由op37精密运算放大器7组成的电压跟随器，所述的MCT碲镉汞探测器和op37精密运算放大器连接信号输出端8 ;所述的信号放大模块内具有依次连接的信号输入端9、一级差分放大电路10、二级比例放大电路11、三级比例放大电路12，其中，所述的信号采集模块的信号输出端连接所述的信号放大模块信号输入端；所述的滤波模块采用反相同比例50HZ的二阶有源低通滤波电路。
[0020]所述的MCT碲镉汞探测器是工作在77K的液氮环境下，以确保探测器的灵敏度和稳定性。
[0021]实施例2:
实施例1所述的基于碲镉汞探测技术的高速通道板，所述的基准电压主要包括精密电压源Ql (图中件号为13)和精密电压源Q2 (图中件号为14)，所述的精密电压源Ql连接电源滤波电容Cl和C14 ;所述的精密电压源Q2连接电源滤波电容C2和C15。所述的精密电压源Ql和精密电压源Q2采用LM399稳压电源，所述的LM399稳压电源的电压温度系数低(0.5PPM/°C)，工作温度范围是(T70°C。
实施例3:
实施例1或2所述的基于碲镉汞探测技术的高速通道板，所述的基准电压通过精密电阻R5 (图中件号为15)与所述的MCT碲镉汞探测器分压，所述的MCT碲镉汞探测器通过插针J5(图中件号为16)连接所述的信号输出端的Sll ;所述的基准电压分别连接电阻R3(图中件号为17)和可调电位器R4 (图中件号为18)，所述的电阻R3与可调电位器R4串联，所述的可调电位器R4的信号输出端连接所述的op37精密运算放大器，所述的op37精密运算放大器连接所述的信号输出端的S12。
[0022]所述的0P37精密运算放大器主要包括op37跟随器，所述的op37跟随器的芯片具有低噪声，低漂移(0.2纳伏每摄氏度)，高速(17 V /u S的转换率)，低输入失调电压(10nV)，优秀的CMRR (126分贝(拱11 V的电压))的优点。
[0023]精密电阻R5的电阻值精度达到万分之一，温度系数为5ppm/°C。
实施例4:
实施例1或2所述的基于碲镉汞探测技术的高速通道板，所述的一级差分放大电路内Rll连接精调电位器R12的调节端，所述的精调电位器R12连接粗调电位器R13的调节端。
[0024]所述的信号输出端Sll通过信号输入端S21连接所述的一级差分放大电路，所述的信号输出端S12通过信号输入端S22连接所述的一级差分放大电路。
[0025]实施例5:
实施例1或2所述的基于 碲镉汞探测技术的高速通道板，所述的滤波模块中插针J16(图中件号为19)为滤波信号输入端，插针J17 (图中件号为20)为滤波信号输出端。
[0026]工作原理:
本发明的通道板上主要由差分放大器进行逐级放大，而差分放大器由4个电阻和一个运算放大电器组成，如图6所示。
[0027]第一，但是差分放大器存在很多基本问题，首先，从Vl和V2进来的输入阻抗不相等。Vl端的输入阻抗等于R1，而V2端的是R3+R4。由于极小的源阻抗不平衡会造成差分放大器的可用CMR下降，因此这会对差分放大器的CMR性能带来不利影响。为解决这个问题，此通道板在V2前端加可调电位器R4，保证通道板的高CMR。
[0028]第二，由于CMR主要由匹配电阻决定，而与运算放大电器无关。电阻比R1/R2和R3/R4必须精确匹配才能抑制共模噪声。从一批电阻中挑选4个精度为1%的电阻就可以使阻值比匹配度达到0.1%，进而使CMR达到66dB (假设R1=R2)。但是，如果其中一个电阻与其他电阻的阻值相差1%，那么CMR将下降到46dB。显然，在该电路中采用普通的分立电阻(不经过手工匹配的)很难获得好的性能。因此最好选用标准现货供应的精密金属膜电阻，它的公差仅为0.1%。
[0029]一般地，该电路在最坏的情况下的CMR为:
CMR(dB)=201g[(1+R2/R1)/4Kr](I)
其中，Kr是单个电阻的公差(百分比形式)。该方程表明，当采用4个不经筛选的，同等标称阻值，公差为1%的电阻时，电路的CMR不超过34dB。
[0030]当采用单电阻网络时，就得到图中公式，也即:
CMR(dB)=201g[(1+R2/R1)/Kr](2)
由式(I )、( 2 )可知，当电阻比的匹配公差为0.1%时，电路的最差直流CMR仅为66dB (假设R1=R2)。注意，这两种情况都需要提高CMR。为获得高CMR，这种电路需要采用4个单衬底电阻，并且要求它们的工艺的电路，其匹配度可达0.01%甚至更高。[0031]具体工作过程:
1、元器件选取:
由于选用MCT碲镉汞探测器，它在接收外界辐射能量信号时自身阻值发生变化，在本设计的电路里用MCT碲镉汞探测器与一个0.5K的精密电阻R5分压，它们的总电压由一个LM399精密电压源提供的。在目标温度发生变化时，MCT碲镉汞探测器自身阻值发生相应变化(即V2信号)，然后用这个V2与参考电压做放大。
[0032]在参考电压这部分，是由两个LM399精密电压源提供的，LM399精密电压源提供的电压范围是-5、7V，然后用可调电位器R5的滑动端选择适宜信号输出；为提高带负载能力，在R5信号输出端接了一个用op37跟随器组成的电压跟随器，然后再提供给一级差分放大电路。
[0033]信号放大模块这部分，先用一个一级差分放大电路对V2与Vl的差做放大,然后再用两个同向比例放大电路继续放大。
电源跳线端说明:电压跟随器Ul:插针Jl，插针J2 ；
一级差分放大电路U2:插针J6，插针J7 ；
二级比例放大电路U3:插针J10，插针Jll ；
三级比例放大电路U4:插针J13，插针J14 ；
二阶有源滤波电路U5:插针J4，插针J9 ；
即如想去掉某一级，就断开对应的跳线端。
[0034]2、操作步骤过程:
调零端的操作:插针J3，插针J5接地，调节电位器R8，使输出J8插针为零，实现U2即一级差分放大电路的调零；二级比例放大电路、三级比例放大电路放大调零同理，分别是J8插针接地，调节电位器R14，使输出J12插针为零；插针J12接地，调节电位器R17，使输出插针J15为零。
[0035]等电位的操作:插针J3、插针J5加入跳线帽，调节电位器R4，一级差分放大电路U2的输出J8插针的输出为零，插针J8加入跳线帽，继续调节电位器R4，使二级比例放大电路U3的输出插针J12为零，同理，插针J12加入跳线帽，调节电位器R4使三级比例放大电路U4的输出为零。
[0036]调试操作:P1端接入MCT碲镉汞探测器，观察每一级输出插针J8、插针J12、插针J15的波形情况，如波形不稳定，用跳线将滤波模块的插针J16、插针J17接入插针J12，继续观察输出波形；在实际的观察结果中看到，把滤波模块加到二级比例放大电路后面输出的波形最理想，故在二级比例放大电路和三极比例放大电路之间加滤除工频干扰的反相同比例50HZ的二阶有源滤波电路。
【权利要求】
1.一种基于碲镉汞探测技术的高速通道板，其组成包括:信号采集模块、信号放大模块、滤波模块和电源模块，其特征是:所述的信号采集模块包括基准电压，所述的基准电压连接MCT碲镉汞探测器、由OP37精密运算放大器组成的电压跟随器，所述的MCT碲镉汞探测器和op37精密运算放大器连接信号输出端；所述的信号放大模块内具有依次连接的信号输入端、一级差分放大电路、二级比例放大电路、三级比例放大电路，其中，所述的信号采集模块的信号输出端连接所述的信号放大模块的信号输入端；所述的滤波模块采用反相同比例50HZ的二阶有源低通滤波电路。
2.根据权利要求1所述的基于碲镉汞探测技术的高速通道板，其特征是:所述的基准电压主要包括精密电压源Ql和精密电压源Q2，所述的精密电压源Ql连接电源滤波电容Cl和C14 ;所述的精密电压源Q2连接电源滤波电容C2和C15。
3.根据权利要求1或2所述的基于碲镉汞探测技术的高速通道板，其特征是:所述的基准电压通过精密电阻R5与所述的MCT碲镉汞探测器分压，所述的MCT碲镉汞探测器通过插针J5连接所述的信号输出端的Sll ;所述的基准电压分别连接电阻R3和可调电位器R4，所述的电阻R3与可调电位器R4串联，所述的可调电位器R4的信号输出端连接所述的op37精密运算放大器，所述的op37精密运算放大器连接所述的信号输出端的S12。
4.根据权利要求1或2所述的基于碲镉汞探测技术的高速通道板，其特征是:所述的一级差分放大电路内Rll连接精调电位器R12的调节端，所述的精调电位器R12连接粗调电位器R13的调节端。
5.根据权利要求1或2所述的基于碲镉汞探测技术的高速通道板，其特征是:所述的滤波模块中J16为滤波信号输入端，J17为滤波信号输出端。
【文档编号】H03F1/26GK103427769SQ201310318568
【公开日】2013年12月4日 申请日期:2013年7月26日 优先权日:2013年7月26日
【发明者】王英立, 张小清, 王同, 任洁 申请人:哈尔滨理工大学