Rauscharme Ausleseschaltungen für die FIR-Sensorik

Dipl.-Ing. (FH) Würfel, Daniel

Dateibereich 26067

3,44 MB in einer Datei, zuletzt geändert am 30.07.2013

Dateiliste / Details

DateiDateien geändert amGröße
Dissertation_Daniel_Wuerfel.pdf23.02.2011 10:26:383,44 MB
Low-cost FIR-Kamerasysteme mit ungekühlten Bolometern werden zunehmend nachgefragt. Viele Arbeiten beschäftigen sich mit der Technologie zur Herstellung und Optimierung vom Sensorelement. In der analogen Schaltungstechnik besteht der Bedarf an einer Hilfestellung für die Auswahl einer geeigneten Schaltung zur Auslese von Bolometer-Arrays. Daher werden unterschiedliche Schaltungsvarianten zur Auslese vorgestellt und umfangreiche Rauschberechnungen, welche zur Ermittlung der NETD benötigt werden, durchgeführt. Des Weiteren stellt sich bei jeder neuen Bolometer-Array-Entwicklung die Frage nach der Architektur. Anhand der optimalen Akquisitionszeit wird auch hier eine Lösungsmöglichkeit angeboten. In Kapitel 2 werden kurz allgemeine Grundlagen zu infraroter Strahlung zusammengefasst. Die Unterschiede zwischen NIR und FIR werden erläutert. In Kapitel 3 werden zunächst unterschiedliche Sensorelemente zur Detektion von FIR-Strahlung vorgestellt und dann ausführlich die physikalischen Zusammenhänge des Bolometers als Grundstein für diese Arbeit eingeführt. Responsivität, NETD, eine Wärmebilanzgleichung, Dynamik etc. werden erläutert. Die Modellierung des Rauschens ist hier ebenfalls beschrieben. In Kapitel 4 wird die bereits vorgestellte Wärmebilanzgleichung erweitert und so der Realität näher gebracht. Strahlung von der Linse und dem Gehäuse werden zusätzlich berücksichtigt. Zudem werden Transmissionen und Reflexionen miteinbezogen. Daraus entstanden ist ein VerilogA-Modell, welches zur elektrischen Simulation unter Berücksichtigung der thermischen Vorgänge im Bolometer in einem Schaltungssimulator benutzt werden kann. In Kapitel 5 werden mögliche Schaltungen zur Auslese eines Bolometers vorgestellt und umfangreiche Rauschberechnungen durchgeführt. Die NETD wird für jede einzelne Schaltungsvariante analytisch berechnet. Ein abschließender Vergleich der NETDs, bei dem nur weißes Rauschen von den Bolometern, Referenzwiderständen bzw. Stromquellen und 1/f-Rauschen der Bolometer berücksichtigt werden, zeigt, dass die Favoriten die Integrator-Schaltungen und die innovativen SDM-Schaltungen sind. Die SDM-Schaltungen weisen zwar eine geringfügig schlechtere zu erwartende NETD hervorgerufen von weißem Rauschen auf, jedoch liegt das Ausgangssignal hier bereits in digitaler Form vor. Die anderen „primitiven“ Schaltungen wie der Spannungsteiler mit Constant Voltage Bias oder Constant Current Readout können die Rauschbandbreite aufgrund einer hohen benötigten Auflösung nicht ausreichend begrenzen. Bei der NETD hervorgerufen von 1/f-Rauschen sind die Unterschiede bei fast allen Schaltungen eher gering, da der variable Parameter, die Akquisitionszeit, in einem Logarithmus steht. Keine der Schaltungen ist in der Lage, das 1/f-Rauschen des Bolometers wirksam zu begrenzen. In Kapitel 6 wird die optimale Akquisitionszeit für eine Integrator- und eine SDM-Schaltung mit den Vorgabewerten und den angenommenen Bolometerdaten bestimmt. Die NETD hervorgerufen von 1/f-Rauschen des Bolometers limitiert die resultierende NETD. Die optimale Akquisitionszeit liegt in dem Bereich, in dem die NETD hervorgerufen von weißem Rauschen ungefähr gleich der NETD hervorgerufen von 1/f- Rauschen ist. Eine weitere Vergrößerung der Akquisitionszeit zeigt dann eine immer geringer werdende Wirkung auf die resultierende NETD und ist daher nicht mehr verhältnismäßig. Aus der optimalen Akquisitionszeit lässt sich die optimale Architektur ableiten. Kapitel 7 stellt die Realisierung von zwei Bolometer-Arrays vor. Im Rahmen dieser Dissertation wurden ein 160 x 120 Bolometer-Array mit Integrator-Auslese (Pulsed Bias Betrieb mit konstanter Spannung) und ein innovatives 640 x 480 Bolometer-Array mit SDM 2. Ordnung mit implementiertem SINC-Filter 3. Ordnung entwickelt. Beim Integrator-Array befindet sich eine Ausleseschaltung in jeder Spalte. Zwei DACs in jeder Spalte dienen zur Kalibration jedes einzelnen Sensorelementes. Beim VGA-Array werden so genannte Auslesekacheln gebildet, wobei eine Kachel aus einem SDM 2. Ordnung und einem SINC-Filter 3. Ordnung besteht. Eine Kachel dient zur Auslese von 32 Bolometern und erstreckt sich über acht Spalten und vier Zeilen. Insgesamt befinden sich ca. 10000 Auslesekacheln unterhalb der Bolometer-Matrix. Umfangreiche Rauschberechnungen werden anhand der realen Parameter bei beiden Schaltungen durchgeführt. Da zum Zeitpunkt der Abgabe dieser Arbeit noch keine Bolometer verfügbar waren, ist die zu erzielende NETD geschätzt worden.
Lesezeichen:
Permalink | Teilen/Speichern
Dokumententyp:
Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Fakultät / Institut:
Fakultät für Ingenieurwissenschaften » Elektrotechnik und Informationstechnik
Dewey Dezimal-Klassifikation:
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften » 620 Ingenieurwissenschaften
Stichwörter:
ROIC, Bolometer, Infrared, Rauschen, Noise, Infrarot, Ausleseschaltung, IRFPA, FIR, NETD
Beitragende:
Prof. Ph. D. Hosticka, Bedrich J. [Betreuer(in), Doktorvater]
Prof. Dr.-Ing. Laws, Peter [Gutachter(in), Rezensent(in)]
Sprache:
Deutsch
Kollektion / Status:
Dissertationen / Dokument veröffentlicht
Datum der Promotion:
29.04.2010
Dokument erstellt am:
24.02.2011
Promotionsantrag am:
24.03.2009
Dateien geändert am:
30.07.2013
Medientyp:
Text