某型紅外探測器預處理電路失效分析

摘要：作為紅外探測系統中的基礎硬件和關(guān)鍵部件，預處理電路的性能直接影響紅外探測系統成像質(zhì)量。針對某型紅外探測器預處理電路的故障現象，建立故障樹(shù)逐步進(jìn)行失效分析，定位異常處并通過(guò)測試驗證，進(jìn)而提出糾正措施避免類(lèi)似異常的發(fā)生。經(jīng)過(guò)本次失效分析，找到了偶然事件產(chǎn)生的根源，通過(guò)采取糾正措施，降低了偶然失效發(fā)生的概率，對產(chǎn)品可靠性的提高具有顯著(zhù)實(shí)用價(jià)值。

圖1 紅外探測系統功能框圖

預處理電路是紅外探測系統模擬信號與數字信號的橋梁，其采集性能、圖像處理能力及輸出信號直接影響紅外探測系統成像質(zhì)量，是整體系統的關(guān)鍵部件^[2-3]。

某型紅外探測系統在進(jìn)行測試時(shí)發(fā)現圖像異常，成像圖片中有較多雪花點(diǎn)，定位為紅外預處理電路功能異常。本文對該異?，F象進(jìn)行失效分析。

1   失效原因分析

該款紅外探測器預處理電路原理框圖如圖2 所示，電路主要由信號采集與調理單元、電源管理單元、溫度采集單元、數字處理單元、偏壓產(chǎn)生單元組成。

該紅外探測系統工作流程為預處理電路將紅外探測器圖像信號采集并發(fā)送到后級成像，中間不對圖像數據進(jìn)行處理。工作過(guò)程中出現圖像成像異常，圖片中有較多雪花點(diǎn)。

根據故障現象及預處理電路功能實(shí)現判斷，引起圖像異常的原因可能為：預處理電路數據傳輸功能異常、探測器時(shí)序功能異常、偏置電壓異常、信號采集與調理功能異常。根據上述分析建立故障樹(shù)[4-5]，如圖3 所示，下面對各個(gè)事件進(jìn)行排查分析。

1.1 數據傳輸功能分析

預處理電路數據傳輸通路為FPGA 輸出LVDS信號，如圖2 數字處理單元所示。數據傳輸功能可通過(guò)FPGA自身生成測試數據，然后用EDA 軟件SignalTapII 對發(fā)送數據進(jìn)行抓取進(jìn)行對比分析。經(jīng)測試發(fā)現，電路發(fā)送的數據與成像的數據一致，發(fā)送的數據包幀頭、幀尾，其編碼值與約定的數值一致，傳輸數據的個(gè)數與圖像接收的個(gè)數一致，未出現錯幀、跳幀現象。因此，排除數據傳輸功能異常。

1.2 探測器時(shí)序功能分析

預處理電路通過(guò)內部FPGA 產(chǎn)生2 組穩定的時(shí)序信號提供給探測器，如圖2 數字處理單元所示。時(shí)序信號可通過(guò)示波器抓取進(jìn)行分析，表1 所示為抓取結果。

測試結果表明波形正常，且與時(shí)序功能設定一致。因此，排除探測器時(shí)序功能異常。

1.3 偏置電壓功能分析

預處理電路通過(guò)電壓基準及DA 調理為探測器提供6 路偏置電壓，如圖2 偏差產(chǎn)生單元所示。偏置電壓可通過(guò)萬(wàn)用表測試，表2 所示為測試結果。

測試結果表明，偏置電壓波形正常，在指標范圍內。因此，排除探測器偏壓功能異常。

1.4 信號采集與調理功能分析

預處理電路主要通過(guò)差分運放對探測器輸出的模擬信號進(jìn)行放大調理，然后通過(guò)AD 采集調理后的信號，如圖2 信號采集與調理單元所示。信號采集與調理功能可通過(guò)信號發(fā)生器輸入波形，利用SignalTapII 抓取FPGA 接收到的調理信號進(jìn)行對比，圖4、圖5 所示分別為輸入3.75 V 直流信號與10 kHz，（1.6~4.6）V 的正弦信號測試結果。

圖4 直流信號測試結果

圖5 正弦信號測試結果

測試結果表明，經(jīng)過(guò)運放調理及AD 轉換后出現波形失真：直流信號出現毛刺，正弦信號出現臺階跳變。

測試結果也表明，波形失真體現在局部，未出現整體偏移或振蕩。因此，初步判斷信號調理部分功能正常，采集部分功能異常。從圖2 信號采集與調理單元可以看出，信號采集功能通過(guò)AD 實(shí)現，可初步定位AD 轉換存在異常，可分為以下2 種情況：

1）AD 芯片自身功能異常；

2）互聯(lián)鍵合絲異常（短路或者開(kāi)路）。

由于預處理電路中使用的是裸芯片AD，且密封在金屬腔體內部，不便于單獨測試AD 芯片功能，故先從互連鍵合絲入手進(jìn)行異常排查。首先對異常電路進(jìn)行X射線(xiàn)檢查，圖6 所示為X 射線(xiàn)照相圖。

圖6 異常電路X射線(xiàn)照相圖

從圖6 中可以看出，AD 芯片上有2 根鍵合絲扭曲，疑似短路（圖6 中紅色標記處）。

為進(jìn)一步確認AD 芯片內部鍵合絲是否短路，我們對異常電路進(jìn)行開(kāi)帽鏡檢，如圖7 所示，發(fā)現這2 根鍵合絲確實(shí)存在接觸短路的情況，短路引腳分別對應AD芯片數據位的D9、D10 位（此款AD 芯片共14 位，最高位為D1，最低位為D14）。

圖7 異常電路開(kāi)帽鏡檢圖

當AD 芯片中D9、D10 位短路時(shí)，兩個(gè)數據位輸出編碼電平一致。當D9、D10 轉換結果均為1 或均為0時(shí)，輸出編碼正常；當D9 為0、D10 為1 或D9 為1、D10 為0 時(shí)，則會(huì )出現電平的競爭，出現編碼的異常跳動(dòng)，AD 轉換輸出將會(huì )出現毛刺，與前述觀(guān)察現象一致。

1.5 測試驗證

為進(jìn)一步驗證，將D9、D10 短路鍵合絲進(jìn)行分離處理，然后再通過(guò)信號源輸入3.75 V 直流信號與10 kHz，（1.6~4.6）V 的正弦信號測試，SiganalTapII抓取波形如圖8、圖9 所示。

圖8 短路鍵合絲分離后直流信號測試結果

圖9 短路鍵合絲分離后正弦信號測試結果

測試結果表明波形正常：直流信號無(wú)毛刺，正弦信號波形平滑，且與信號采集與調理單元理論計算值一致；將處理后的預處理模塊重新裝入紅外探測系統中成像質(zhì)量良好，異?，F象消失。

綜上所述， 確認該預處理電路異常由AD 芯片D9、D10 數據位短路導致。

2   糾正措施

當預處理電路中AD 芯片數據位短路時(shí)，會(huì )出現數據競爭，引起采集信號失真，造成紅外探測器成像異常。

因此，保證AD 芯片正常鍵合，不短路即可解決該問(wèn)題。針對預處理電路模塊采取以下措施避免類(lèi)似狀況發(fā)生：更改板級鍵合點(diǎn)位置，避免鍵合絲朝向同一側引入短路風(fēng)險；嚴格控制鍵合工藝，鍵合前應在樣件進(jìn)行鍵合試驗，并對鍵合絲進(jìn)行拉力試驗等測試，確保鍵合正常；嚴格執行封帽前的鏡檢，避免因觀(guān)察不仔細漏過(guò)異常位置；在封帽前后增加信號采集與調理單元波形測試，確保信號采集與調理功能正常。

經(jīng)采用上述措施，后續該電路多批次產(chǎn)品均未出現因AD 鍵合絲短路出現的異常。

3   結束語(yǔ)

本文針對某型紅外探測器預處理電路異?，F象，通過(guò)建立故障樹(shù)逐步進(jìn)行失效分析，定位異常并通過(guò)測試驗證，進(jìn)而提出糾正措施避免類(lèi)似異常的發(fā)生。經(jīng)過(guò)本次失效分析工作，找到了偶然事件產(chǎn)生的根源，通過(guò)采取糾正措施，降低了偶然失效發(fā)生的概率，對產(chǎn)品可靠性的提高具有顯著(zhù)實(shí)用價(jià)值。

參考文獻：

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年6月期）