高性能圖像感測器參考設計的核心整合與協作

作者: ADI系統應用工程師Scott Hunt

色散譜應用中的圖像感測需要超低雜訊和高位元速率的線性陣列圖像感測器,以實現高靈敏度和高速測量。為了降低探測器的暗雜訊,並進一步提高測量靈敏度,一個熱電冷卻器(TEC)有其需要。為達到這些要求,還需要高性能電子元件來與感測器介面。從感測器採樣資料需要具有低雜訊、且快速建立時間的放大器和低雜訊精密類比數位轉換器(ADC)。TEC需要精密電流控制和限壓,以便精確控制溫度。電源管理電子元件必須能夠提供TEC所需的高功率,以及採樣電路所需的低雜訊。最後,良好的PCB佈局對於避免大功率電源的切換開關訊號對精密採樣電子元件的磁耦合或傳導耦合干擾,則同樣至關重要。

利用分立電子元件設計一個系統來與這些複雜的高性能感測器連接,這在過去一直是一項挑戰,其需要仔細權衡尺寸、複雜度與性能。Hamamatsu Photonics, Inc.和ADI 認為這是一個機會,於是結合各自專業知識來為Hamamatsu G920x InGaAs線性圖像感測器系列創建參考設計,其中Hamamatsu提供感測器和系統元件,ADI則設計類比前端(AFE)板。該參考設計允許透過FMC連接器連接到FPGA承載卡進行模組化評估。ADI的μModule®穩壓器用於為設計中最具挑戰性的佈局部分提供精小、優化的佈局。例如, LTM8053μModule降壓調節器將磁性元件整合到內部佈局中,其進而大幅降低了電磁雜訊。透過提供精小優化的佈局並減少元件數量,這些高整合度的產品還能實現更小的解決方案,而不會影響性能。

圖1.圖像感測器參考設計簡化框圖

有三個關鍵的高整合度產品協助實現此精小的高性能AFE設計:

ADAQ7980為一款單晶片、高性能、16位元、1 MSPS SAR ADC資料擷取系統模組。ADAQ7980採用高精度SAR ADC,並整合ADC驅動器、基準電壓緩衝器、LDO穩壓器、精密被動元件和去耦元件。

ADN8835是一款精密TEC控制器,整合了3 A功率FET管。ADN8835可精確控制感測器的溫度,無需外部分立功率FET管。

 LTM8053是一款超低雜訊3.5 A Silent Switcher® μModule 降壓型切換開關穩壓器。LTM8053將切換開關控制器、功率切換開關、電感和所有支援元件整合到一個精小封裝中,以實現最佳雜訊性能。

這些產品展示了ADI 高整合度產品的關鍵特性,包括降低BOM複雜性和減小電路板空間,透過消除關鍵電路中的電路板級寄生效應來優化性能,以及透過提供整合更多訊號鏈的性能規格的元件來減少系統誤差和不確定性。完整AFE解決方案還包括ADI 的其他高性能元件,例如ADR4550精密基準電壓源和ADA4807高速精密放大器。AFE還能將LTM8053和ADN8835的時脈與提供給感測器和ADAQ7980的採樣時脈同步。

ADI 與Hamamatsu Photonics, Inc.合作,為Hamamatsu G920x線性陣列NIR/SWIR InGaAs圖像感測器系列開發高性能參考設計。這些線性陣列InGaAs圖像感測器具有高採樣速度,並整合了TEC來給光學探測器散熱,支援超低雜訊操作,這使其成為高性能NIR/SWIR光譜應用(如天然氣和礦物鑒定)的絕佳選擇。ADI公司的高整合度產品使其具有高性能,且尺寸精小。

圖2.ADI 開發的InGaAs陣列感測器介面板俯視圖

Author

Scott Hunt

Scott Hunt

Scott Hunt is a system applications engineer specializing in scientific instruments in the Instrumentation Market Group of Analog Devices in Wilmington, MA. Scott joined Analog Devices in 2011 as a product applications engineer for high-performance integrated precision amplifiers such as instrumentation amplifiers before transferring into the instrumentation group in 2016. He has a Bachelor's degree in electrical and computer systems engineering from Rensselaer Polytechnic Institute. Scott was honored as a recipient of the 2015 Outstanding Technical Writing award and the 2015 Outstanding Program Support award from Analog Devices.