基于SiP 技術(shù)的小型化紅外前端采集微系統(tǒng)

方 珉，許 羽，趙亞南，吳 瑋，宋佳囡

（上海航天控制技術(shù)研究所，上海 201109）

紅外前端采集電路用于實(shí)現(xiàn)紅外成像傳感器的高精度、低噪聲驅(qū)動(dòng)、模擬信號(hào)采集調(diào)理、高速模數(shù)轉(zhuǎn)換及信號(hào)預(yù)處理等功能，是各類紅外信息處理系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分[1]。隨著技術(shù)的進(jìn)步，紅外成像傳感器不斷朝著高幀頻與高分辨率發(fā)展，由此需要前端采集系統(tǒng)處理的信息量越來越多，處理的速度越來越快，噪聲越來越低。此外，為了得到更好的系統(tǒng)性能，其他部組件和執(zhí)行機(jī)構(gòu)也在不斷擠壓采集電路的空間，使得電路可利用的空間越來越小。目前紅外前端采集電路已選用了大量小封裝塑封貼片元器件來實(shí)現(xiàn)小型化設(shè)計(jì)，但即使如此，電路板上的器件也已非常密集，很容易與結(jié)構(gòu)干涉并帶來信號(hào)串?dāng)_等問題。由此可見，基于傳統(tǒng)印制板與分立器件的設(shè)計(jì)模式在電路的進(jìn)一步小型化上已遇到了瓶頸。

設(shè)計(jì)了一種基于SiP 系統(tǒng)級(jí)封裝技術(shù)的小型化紅外前端采集微系統(tǒng)[2]，通過對(duì)原系統(tǒng)功能的合理劃分，將多片芯片集成至3 個(gè)模塊中，結(jié)合數(shù)?；旌想娐房垢蓴_及低噪聲傳感器驅(qū)動(dòng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)紅外前端采集電路的小型化、低噪聲設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 SiP技術(shù)概述

SiP 技術(shù)將兩個(gè)或多個(gè)大規(guī)模集成電路的裸芯片及其他微組件（包括芯片組件）統(tǒng)一集成在一個(gè)高密度互連基板中，并將具有不同功能的高密度微電子組件封裝在同一外殼內(nèi)。SiP 技術(shù)中融合了多層布線基板技術(shù)、多層布線互連技術(shù)、表面貼裝技術(shù)、裸芯片制造等先進(jìn)的技術(shù)，其優(yōu)勢集中體現(xiàn)在性能高、可靠性強(qiáng)、體積小、密度大等方面。它是制造高速電子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電子整機(jī)小型化和系統(tǒng)集成的有效途徑[3]。

1.2 系統(tǒng)功能劃分

為了避免與紅外信息處理系統(tǒng)中的紅外成像傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等部組件發(fā)生干涉，原紅外前端采集電路采用了軟硬結(jié)合印制板技術(shù)，將不同功能器件分散布置在3 塊硬板上，板間信號(hào)通過柔性板進(jìn)行連接。該設(shè)計(jì)通過對(duì)電路功能的合理劃分，將原先需要多片芯片實(shí)現(xiàn)的功能集成至3 個(gè)塑封模塊：低噪聲傳感器驅(qū)動(dòng)模塊、高速信號(hào)緩沖及轉(zhuǎn)換模塊、可編程數(shù)字處理模塊，并將其放置在一塊印制板上，微系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 小型化紅外前端采集微系統(tǒng)總體框圖

2 各模塊設(shè)計(jì)

2.1 低噪聲傳感器驅(qū)動(dòng)模塊

低噪聲傳感器驅(qū)動(dòng)模塊主要提供紅外成像傳感器正常工作所需的電源及低噪聲偏置電壓[4]。在紅外信息處理系統(tǒng)中，紅外成像傳感器正常工作共需兩類偏置電壓，一類為可調(diào)偏壓，用于調(diào)整傳感器的最佳工作點(diǎn)，另一類則為固定偏壓，為傳感器提供工作電源、基準(zhǔn)電壓等[5]。

可調(diào)偏壓由于不是標(biāo)準(zhǔn)電壓值，且對(duì)電壓調(diào)整精度要求較高，因此采用FPGA 輸出可調(diào)偏置電壓代碼，由D/A 變換器數(shù)模變換后再經(jīng)運(yùn)算放大器緩沖輸出的方式實(shí)現(xiàn)，其中D/A 轉(zhuǎn)換器選用16 bit 分辨率、INL 為±12 LSB、SPI 接口且為電壓輸出的產(chǎn)品，以簡化外圍電路。該轉(zhuǎn)換器內(nèi)部參考電壓Vref為2.5 V，根據(jù)計(jì)算公式：

可得，在給定數(shù)字量下，D/A 轉(zhuǎn)換器電壓最大變化量約為1 mV，可滿足傳感器對(duì)該路偏壓不大于10 mV 的電壓調(diào)整精度要求[6]。

值得注意的是，由于紅外成像傳感器像元陣列上的每個(gè)探測元可簡化為一個(gè)RC充放電電路[7]，經(jīng)計(jì)算該設(shè)計(jì)所需驅(qū)動(dòng)的紅外成像傳感器總電容量已達(dá)μF 級(jí)，因此可以把它看成一個(gè)容性負(fù)載，當(dāng)這個(gè)容性負(fù)載與運(yùn)算放大器內(nèi)部的輸出電阻Ro相接時(shí)，在運(yùn)放傳遞函數(shù)上將產(chǎn)生一個(gè)附加的極點(diǎn)從而導(dǎo)致運(yùn)放電路變得不穩(wěn)定。為了避免運(yùn)算放大器在驅(qū)動(dòng)容性負(fù)載時(shí)可能引起的振蕩，將運(yùn)放緩沖電路設(shè)計(jì)成如圖2 所示的“雙反饋”形式。該電路通過在運(yùn)放反饋通道中增加電容Cf以抵消傳感器電容Cl所造成的極點(diǎn)和零點(diǎn)。因此，整個(gè)電路的傳遞函數(shù)和相位響應(yīng)與沒有電容Cl時(shí)完全一樣，確保了整個(gè)偏壓電路的穩(wěn)定[8]。

圖2 “雙反饋”運(yùn)放緩沖電路原理圖

固定偏壓則由低噪聲電壓基準(zhǔn)經(jīng)電阻分壓后產(chǎn)生。通過調(diào)整分壓電阻分別輸出多路探測器工作所需電源與基準(zhǔn)電壓。該設(shè)計(jì)采用電壓基準(zhǔn)外接運(yùn)放的形式來實(shí)現(xiàn)傳感器固定偏壓的輸出。運(yùn)放緩沖電路同樣選用“雙反饋”形式以提高穩(wěn)定性。該電路中所選電壓基準(zhǔn)輸出電壓為4.096 V，噪聲為35 μV，所選運(yùn)算放大器則具備最高150 mA的電流驅(qū)動(dòng)能力，可滿足紅外成像傳感器對(duì)固定偏壓最大100 μV 噪聲與不小于35 mA 電流驅(qū)動(dòng)能力的要求。

2.2 高速信號(hào)緩沖及轉(zhuǎn)換模塊

紅外成像傳感器模擬信號(hào)由傳感器輸出后，需經(jīng)過阻抗匹配、信號(hào)調(diào)理緩沖以及高速A/D 變換后才能傳送至FPGA 進(jìn)行進(jìn)一步處理。阻抗匹配電路由單倍增益放大電路實(shí)現(xiàn)，運(yùn)算放大器選擇250 MHz帶寬、軌至軌產(chǎn)品，匹配電阻Rd按傳感器要求選擇100 kΩ，使傳感器信號(hào)不失真地進(jìn)入下一級(jí)緩沖電路。由于紅外成像傳感器的信號(hào)輸出范圍為1～4 V，而高速A/D 變換器的輸入范圍為-1～+1 V，故不能直接將傳感器信號(hào)引入A/D 變換器，還需設(shè)計(jì)基于運(yùn)算放大器的調(diào)理緩沖電路[9]。

如圖3 所示，該電路通過選取合適的反饋電阻Rf與Rg值來設(shè)置一定的放大倍數(shù)，需注意的是為了減小電阻熱噪聲對(duì)傳感器信號(hào)的影響，Rf與Rg的值不宜選得過大，此處Rf選200 Ω、Rg選300 Ω，將輸出信號(hào)范圍由3 V 調(diào)整為2 V。通過在運(yùn)放反相輸入端接入2 V 參考電壓Vref來濾除傳感器輸出信號(hào)中的直流分量，確保最終的輸出信號(hào)正好在A/D 變換器可采集的有效范圍內(nèi)。此外，通過增加Cf與Ct組成兩級(jí)低通濾波器將傳感器信號(hào)帶寬限制在16 MHz 左右，從而進(jìn)一步降低傳感器信號(hào)噪聲。

圖3 調(diào)理緩沖電路原理圖

高速A/D 變換器則選擇14 bit 分辨率、不小于125 Msps 變換率、LVDS 串行輸出接口的產(chǎn)品，在滿足整個(gè)系統(tǒng)對(duì)信噪比與實(shí)時(shí)性要求的同時(shí)，通過降低接口信號(hào)線的數(shù)量，進(jìn)一步減小模塊面積。

2.3 可編程數(shù)字處理模塊

該模塊以可編程處理器件FPGA 為核心，主要完成數(shù)字接口實(shí)現(xiàn)、時(shí)序邏輯控制及數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?。?jīng)前期評(píng)估，整個(gè)前端采集電路正常工作所需的邏輯資源約在3 000 個(gè)LE 左右。該設(shè)計(jì)所選用的FPGA 內(nèi)部包括4 480 個(gè)LE，700 kb SRAM 資源，15 個(gè)DSP 單元，1 個(gè)PLL，16 個(gè)全局時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)，最大支持207 個(gè)I/O 端口，差分端口數(shù)量為100 個(gè)。此外還集成了FLASH 存儲(chǔ)器與RS485 接口轉(zhuǎn)換芯片，可直接與具備同類接口的傳感器連接，以進(jìn)一步簡化外圍電路[10]。

為了盡量減少對(duì)外引線數(shù)量，前端采集電路與后端電路間選用了FPGA 內(nèi)部自帶的異步串行接口作為互相間的通信接口，該接口可在程序中直接調(diào)用，對(duì)外只需要一根同軸電纜即可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、可靠的數(shù)據(jù)傳輸[11]。

3 PCB設(shè)計(jì)與測試

3.1 PCB設(shè)計(jì)

采用Altium Designer 軟件進(jìn)行PCB 設(shè)計(jì)，在采用SiP 微系統(tǒng)模塊后，將原基于分立器件需3 塊印制板才能實(shí)現(xiàn)的電路功能，整合至一塊尺寸為35 mm×35 mm 的PCB 上，電路布局如圖4 和圖5 所示。設(shè)計(jì)過程中，將低噪聲傳感器驅(qū)動(dòng)模塊（SiP1）靠近紅外成像傳感器接口擺放；可編程數(shù)字處理模塊（SiP3）靠近后級(jí)電路串行通信接口擺放；高速信號(hào)緩沖及轉(zhuǎn)換模塊（SiP2）則放置在中間，通過合理布局可有效地分隔模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)，降低數(shù)字信號(hào)對(duì)模擬信號(hào)的干擾[12]。

圖4 PCB正面布局圖

圖5 PCB背面布局圖

盡管在PCB 布局上已盡可能進(jìn)行了模數(shù)隔離，但由于PCB 面積限制，紅外成像傳感器正常工作時(shí)所需的時(shí)鐘、使能等數(shù)字信號(hào)，在由可編程數(shù)字處理模塊輸出至傳感器接口連接器時(shí)，不可避免地會(huì)經(jīng)過模擬區(qū)域，由此會(huì)帶來線間串?dāng)_的問題。因此在PCB 布線過程中采取了以下幾個(gè)措施來減小串?dāng)_噪聲[13]：

1）在數(shù)字時(shí)鐘、使能信號(hào)上采用端接技術(shù)，以減小容性耦合和感性耦合產(chǎn)生的串?dāng)_耦合干擾；

2）在布線條件許可的情況下，盡量增大可能發(fā)生串?dāng)_耦合傳輸線之間的距離，減小并行傳輸走線的長度；

表5為刀具夾持長度不同時(shí)，換能器在20 kHz附近的振模態(tài)下，頻率、位移節(jié)點(diǎn)位置和應(yīng)力的變化情況，其中刀具長度均為40 mm。

3）在相鄰信號(hào)傳輸線間插入一根地線，以有效減小容性串?dāng)_。

為了驗(yàn)證上述措施的有效性，將設(shè)計(jì)完的PCB文件導(dǎo)入Hyperlynx 軟件進(jìn)行串?dāng)_仿真，將紅外成像傳感器輸出信號(hào)設(shè)為敏感線，設(shè)置串?dāng)_電氣閾值為50 mV，仿真結(jié)果如圖6 所示?？梢?，在設(shè)定的串?dāng)_閾值范圍內(nèi)，無網(wǎng)絡(luò)會(huì)對(duì)該信號(hào)形成干擾[14]。

圖6 串?dāng)_仿真結(jié)果圖

3.2 系統(tǒng)測試

對(duì)微系統(tǒng)各主要功能模塊開展相關(guān)測試，首先對(duì)低噪聲偏壓部分進(jìn)行測試[15]，其可調(diào)偏壓紋波如圖7 所示，紋波峰峰值在6.9 mV 左右，滿足探測器不大于10 mV 的指標(biāo)要求。

圖7 可調(diào)偏壓紋波測試結(jié)果

將各偏壓值及紋波噪聲與原分立電路測試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，見表1 與表2。

表1 傳感器偏壓測試結(jié)果

表2 傳感器偏壓噪聲測試結(jié)果

噪聲等效溫差(Noise-Equivalent Temperature Difference,NETD)指紅外成像傳感器能探測到的最小溫差，可以用于預(yù)測極限溫差下的觀測距離，是衡量紅外成像傳感器性能的主要指標(biāo)之一[16]。將微系統(tǒng)連接紅外成像傳感器后對(duì)該指標(biāo)進(jìn)行測試，并與原分立電路測試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，見表3。

表3 紅外成像傳感器NETD測試結(jié)果

將微系統(tǒng)連接后端電路后對(duì)異步串行通信接口進(jìn)行測試，兩者間能正常通信，校驗(yàn)和錯(cuò)誤計(jì)數(shù)一直為“00”，無誤碼，測試結(jié)果見圖8。

圖8 異步串行通信測試結(jié)果

從上述測試結(jié)果可見，基于SiP 技術(shù)的微系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)與原分立電路保持一致，在偏壓噪聲及NETD 方面優(yōu)于原分立電路。

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種小型化紅外前端采集微系統(tǒng)，利用SiP 技術(shù)將多片芯片按功能劃分并分別集成至3 個(gè)模塊中，在不裁減功能的情況下，將原需3 塊印制板實(shí)現(xiàn)的功能集成至單塊印制板上，實(shí)現(xiàn)了采集電路的小型化設(shè)計(jì)，為系統(tǒng)其他部組件的安裝騰出了空間。同時(shí)通過多芯片封裝技術(shù)，擺脫了以往小型化電路對(duì)進(jìn)口塑封器件的依賴，為后續(xù)實(shí)現(xiàn)元器件自主可控打下了基礎(chǔ)。通過對(duì)比測試，應(yīng)用SiP 技術(shù)的小型化紅外前端采集微系統(tǒng)性能與原電路保持一致，在噪聲等指標(biāo)上優(yōu)于原采集電路，后續(xù)可推廣應(yīng)用至其他對(duì)小型化有迫切需求的紅外信息處理系統(tǒng)。