CN105784123A

CN105784123A - 用于常温太赫兹检测器的读出电路

Info

Publication number: CN105784123A
Application number: CN201610289537.3A
Authority: CN
Inventors: 康琳; 裴宇峰; 万超
Original assignee: Nanjing University
Current assignee: Nanjing University
Priority date: 2016-05-04
Filing date: 2016-05-04
Publication date: 2016-07-20

Abstract

本发明公开了一种用于常温太赫兹检测器的读出电路，所述读出电路结构包括：与常温太赫兹检测器相连接的恒流偏置模块，用于对所述检测器提供偏置电流；与常温太赫兹检测器相连接的第一级放大电路模块，用于对所述常温太赫兹检测器的输出信号进行放大和滤波，消除检测器阻抗不一致对多路选通产生的影响；与所述第一级放大电路模块相连接的多路选通模块，用于将所述第一级放大电路模块的并行信号转变为1路串行信号；与所述多路选通模块相连接的第二级放大电路模块，用于对多路选通模块输出的1路串行信号进行进一步的放大和滤波。本发明实现了高增益、低噪声、一致性好、结构简单的读出电路，提供恒流偏置、信号放大、多通道数据采集的功能。

Description

用于常温太赫兹检测器的读出电路

技术领域

本发明属于太赫兹检测与微弱信号检测等相关领域，具体涉及一种用于常温太赫兹检测器的读出电路，更具体涉及一种用于1×64阵列化的Nb₅N₆常温微测辐射热计的多通道低噪声读出电路，有望应用于常温太赫兹成像系统。

背景技术

太赫兹波是指频率位于0.1～10THz之间的电磁波，太赫兹检测是太赫兹研究领域中的一个重要环节，研制灵敏度高、成本低、便于应用的太赫兹检测器也是目前太赫兹研究的一个热点。

Nb₅N₆常温太赫兹检测器属于微测辐射热计，主要材料为Nb₅N₆薄膜，采用空气桥结构。Nb₅N₆微测辐射热计通过天线耦合太赫兹辐射，吸收的能量使作为空气桥的Nb₅N₆薄膜温度上升，其电阻值相应改变，实现太赫兹辐射信号到电信号的转换，从而达到探测太赫兹辐射的目的。工作时，在器件两端加上适当的恒流偏置，在50％占空比方波信号调制后的太赫兹源辐照下，器件周期性的在受太赫兹辐射和不受太赫兹辐射两个状态下转换，其电阻值随之产生周期性的改变，从而在两端就会产生相应周期的电压信号，电压信号的幅度与太赫兹辐射功率相关。该探测器具有电压响应率高，噪声低等优点，工作在室温环境下，使用方便，为太赫兹检测提供了一种有效的途径，单个器件已在我们的太赫兹主动成像系统中得到了成功的运用。

然而在采用单个器件的主动成像系统中，所有像元都由单个检测器件输出，往往需要复杂的光路完成对成像物体的扫描，系统体积大，结构复杂，对光路精度的依赖性强，成像时间长，实时性较差。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术存在的问题和不足，本发明的目的是根据1×64阵列Nb₅N₆常温太赫兹检测器的特点，设计一种高增益、低噪声、一致性好、结构简单的读出电路，实现提供恒流偏置、信号放大、多通道数据采集的基本功能，以期将其成功应用于太赫兹主动成像系统。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为一种用于常温太赫兹检测器的读出电路，所述读出电路结构包括：a、与常温太赫兹检测器相连接的恒流偏置模块，用于对所述检测器提供偏置电流；b、与常温太赫兹检测器相连接的第一级放大电路模块，用于对所述常温太赫兹检测器的输出信号进行放大和滤波，消除检测器阻抗不一致对多路选通产生的影响；c、与所述第一级放大电路模块相连接的多路选通模块，用于将所述第一级放大电路模块的并行信号转变为1路串行信号；d、与所述多路选通模块相连接的第二级放大电路模块，用于对多路选通模块输出的1路串行信号进行进一步的放大和滤波。

进一步的，还包括数据采集和控制模块，用于对第二级放大电路模块输出的串行信号进行模数转换和采集，以及对多路选通模块的控制，亦可以在此模块中集成成像系统的控制程序。

进一步的，所述恒流偏置模块包括三极管、分压电阻和限流电阻，所述三极管的基极连接分压电阻，三极管的射级连接限流电阻，集电极连接常温太赫兹检测器。优选的，所述三极管为PNP型三极管。更优选的，所述PNP型三极管的型号为S8550。

进一步的，所述第一级放大电路模块包括集成运放芯片LT1028和与所述芯片LT1028相连接的控制电阻和电容，电路形式为负反馈放大电路。该电路的输入端串联一阶带通滤波器，反馈回路中串联一阶低通滤波器，输出端串联直流阻断器。更进一步的，第一级放大电路模块包含64个上述负反馈放大电路。

进一步的，所述多路选通模块包括2块集成多路选通芯片ADG732，通过并联2块32选1的多路选通芯片ADG732，组合成64选1的多路开关。

进一步的，所述第二级放大电路模块包括集成运放芯片LT1028和与所述芯片LT1028相连接的控制电阻和电容，电路形式为负反馈放大电路。该电路的输入端串联一阶带通滤波器，反馈回路中串联一阶低通滤波器，输出端串联直流阻断器，输出端由电阻分压实现对输出信号的电压上拉。

进一步的，所述数据采集和控制模块包括嵌入式开发板ArduinoDUER3，通过对其编程开发，使其完成对信号的模数转换和数据采集，同时使其生成多路选通模块工作所需的控制信号。

进一步的，所述恒流偏置模块与常温太赫兹检测器之间的连接采用邦定(Wirebonding)工艺。

进一步的，所述常温太赫兹检测器为1×64阵列Nb₅N₆常温太赫兹检测器。

有益效果：本发明根据Nb₅N₆常温太赫兹检测器电压响应率高、噪声低等特点，选用合适的集成芯片，设计了一种应用于1×64阵列的低噪声读出电路。电路能够为Nb₅N₆常温太赫兹检测器提供0～0.5mA范围内可调的直流偏置电流，增益设计为60dB，实际测量结果为59dB，通频带款设计为30kHz，实际测量结果为35kHz。电路各通道间噪声性能和增益的一致性很好。在第二级放大电路模块输出端测量的输出噪声电压谱密度分布上，对应白噪声部分的噪底为换算到输入端为与Nb₅N₆常温太赫兹检测器的本征噪声相当。系统的测量结果表明，该读出电路能够成功实现偏置提供、信号放大等多路选通功能，其噪声很低，满足Nb₅N₆常温太赫兹检测器对电路的低噪要求。1×64阵列Nb₅N₆常温太赫兹检测器与此电路相邦定，成功的实现了太赫兹源产生的光斑图像的阵列扫描检测，较单个检测器，扫描时间明显缩短。

附图说明

图1为读出电路总体架构框图；

图2为阵列恒流偏置模块结构图；

图3为第一级放大电路模块中单个负反馈放大电路图；

图4为ADG732功能模块图；

图5为第二级放大电路模块电路图；

图6为读出电路的幅频响应图；

图7为若干个通道输出噪声的电压谱密度分布图；

图8为所有通道的电压增益图。

具体实施方式

为简化光路系统，缩小系统体积，缩短成像时间，提高系统成像的实时性，本发明将多个Nb₅N₆器件做成阵列，让检测器能同时检测多个像元。在这种情况下，研制对应的阵列读出电路对于阵列Nb₅N₆太赫兹检测器在太赫兹主动成像系统中的实际运用具有重要的意义。

本发明根据Nb₅N₆常温太赫兹检测器电压响应率高、噪声低等特点，选用合适的集成芯片，设计了一种应用于1×64阵列Nb₅N₆常温太赫兹检测器的低噪声、多通道读出电路，其系统框图如图1所示，主要由恒流偏置模块、第一级放大电路模块、多路选通模块、第二级放大电路模块、数据采集和控制模块构成，具体实施方式如下。

恒流偏置模块：该模块主要是利用三极管正常工作在放大区时，它的集电极电流I_C和发射级电流I_E基本相等的性质设计的。考虑到系统接地的方便性，选用了PNP型三级管S8550。图2给出了阵列恒流偏置电路图，流过Nb₅N₆常温太赫兹检测器的电流为

I = I_{C} \approx I_{E} = (V c c - \frac{R_{2}}{R_{1} + R_{2}} V c c - 0.6) / R_{e}

根据Nb₅N₆太赫兹检测器工作的要求，选择了如图中R1、R2和Re的阻值，使得恒流偏置在0～0.5mA之间可调。64路偏置电流基本相同，相差在0.01mA以内，当负载电阻从1kΩ变为3kΩ时，电流基本不发生变化，满足Nb₅N₆常温太赫兹检测器的使用要求。

第一级放大电路模块：该模块由64个相同的负反馈放大电路构成，每个电路对应一个Nb₅N₆常温太赫兹检测器。该模块中电路的噪声为整体读出电路噪声的主要噪声，为保证电路噪声性能不影响Nb₅N₆常温太赫兹检测器的低噪声特性，需要保证该电路的噪声与Nb₅N₆常温太赫兹检测器的本征噪声相近。如图3所示，用极低噪声的集成运放LT1028搭建了负反馈放大电路，输入阻抗由R1主要决定，约为100kΩ，输入端的电容C1和电阻R1构成直流阻断器，起高通滤波作用，负反馈回路中电容C3限制放大电路对信号高频分量的放大倍数，电阻R2和R3主要决定电路放大倍数G≈R₂/R₃＝100，电路截止频率f≈1/2πR₂C₃≈30kHz。

多路选通模块：该模块功能主要由芯片ADG732实现，ADG732的开关速度为30ns，导通电阻为3.5Ω，适合高精度电路使用。图4给出了ADG732的功能模块图，S1～S32为32路模拟信号的输入引脚，A0～A4和EN为数字控制信号输入引脚，D为信号输出引脚，A0～A4和EN输入不同状态的TTL数字控制信号时，ADG732将输出32路输入信号中控制信号之相对应的一路信号，实现多路选通功能。在本模块中，利用2块ADG732并联实现64选1的多路选通功能。2块ADG732共用A0～A4控制信号，独立使用EN控制信号(区分为EN1和EN2)，整体控制信号为A0～A4、EN1和EN2。2块ADG732的输出D连接为一共同输出口。本模块所需的控制信号由后面所述的数据采集与控制模块生成。

第二级放大电路模块：该模块由单个负反馈放大电路构成，主要结构类似第一级放大模块中的单个电路。以极低噪声运放LT1028搭建负反馈放大电路，输入端的电容C1，C2和电阻R1构成直流阻断器，负反馈回路中电容C3限制放大电路对信号高频分量的放大倍数，电阻R2和R3主要决定电路放大倍数G≈R₂/R₃＝10，电路截至频率f≈1/2πR₂C₃≈30kHz，输出端通过电阻R5和R4的分压为输出信号添加一个直流电平分量，以匹配数据采集和控制模块，提高模数转换的精准度。

数据采集和控制模块：该模块由嵌入式开发板ArduinoDUER3构成，对其编写程序，生成对多路选通模块的TTL控制信号A0～A4、EN1和EN2。同时其完成对信号的采样，模数转换和数据存储(该开发板及其编程开发技术是本领域一般技术人员熟知的)。

图2中64个输出信号每一个对应接入一个图3中的放大电路的输入端，64个输出端分别接入2块图4中ADG732的S1～S32，2块ADG732的的输出端共同接入图5中第二级放大电路的输入端，图5中的输出端连接到数据采集和控制模块的输入端，数据采集和控制模块的TTL信号输出端与多路选通模块的A0～A4、EN1和EN2对应连接，即构成整个完整的读出电路系统。

根据放大电路级联的特性，整个放大与滤波模块的增益约为1000倍(60dB)，通频带宽约为30kHz。实际测得的幅频响应与理论值对比结果如图6所示，测量得到通带增益为930倍(59dB)，通频带宽约为35kHz，与设计值基本相同。

将第一级放大电路模块的64路输入全部接地，选取若干个通道，利用动态信号分析仪测得输出噪声的电压谱密度分布如图7所示，在白噪声区域，输出噪声电压谱密度为换算到输入端为与Nb₅N₆常温太赫兹检测器的本征噪声相近，所选取的几个通道的噪声十分一致。图8为所有通道的电压增益图，表明通道间放大倍数的一致性很高。

Claims

1.一种用于常温太赫兹检测器的读出电路，其特征在于，所述读出电路结构包括：a、与常温太赫兹检测器相连接的恒流偏置模块，用于对所述检测器提供偏置电流；b、与常温太赫兹检测器相连接的第一级放大电路模块，用于对所述常温太赫兹检测器的输出信号进行放大和滤波，消除检测器阻抗不一致对多路选通产生的影响；c、与所述第一级放大电路模块相连接的多路选通模块，用于将所述第一级放大电路模块的并行信号转变为1路串行信号；d、与所述多路选通模块相连接的第二级放大电路模块，用于对多路选通模块输出的1路串行信号进行进一步的放大和滤波。

2.根据权利要求1所述用于常温太赫兹检测器的读出电路，其特征在于，所述常温太赫兹检测器为1×64阵列Nb₅N₆常温太赫兹检测器，所述输出信号的数量为64个，所述多路选通模块用于将所述第一级放大电路模块的64路并行信号转变为1路串行信号。

3.根据权利要求1所述用于常温太赫兹检测器的读出电路，其特征在于，所述读出电路对多路微弱信号的处理方式为先由第一级放大电路模块对信号做并行放大，提高信号信噪比后再对信号做多路选通，实现并行信号到串行信号的转换，再对串行信号做第二级放大。

4.根据权利要求1所述用于常温太赫兹检测器的读出电路，其特征在于，所述常温太赫兹检测器以可变源阻抗形式接入电路。

5.根据权利要求1所述用于常温太赫兹检测器的读出电路，其特征在于，所述第一级放大电路模块包含64个相同的负反馈放大电路，对于单个所述负反馈放大电路，其输入端串联由第一电容和第一电阻构成的高通滤波器，并联用于消除运算放大器输入失调电流引入的噪声的第二电容，反馈回路中串联由第二电阻和第三电容构成的一阶低通滤波器，输出端串联由第四电阻和第四电容构成的高通滤波器；所述第二级放大电路模块包括输入端串联由第一电容和第一电阻构成的高通滤波器，并联用于消除运算放大器输入失调电流引入的噪声的第二电容，反馈回路中串联由第二电阻和第三电容构成的一阶低通滤波器，输出端串联由第四电阻和第四电容构成的高通滤波器，第四电阻跨接于输出端与地之间，第五电阻跨接于电源和输出端之间，构成电平上拉器，用于配合后部数据采集。

6.根据权利要求1所述用于常温太赫兹检测器的读出电路，其特征在于，还包括数据采集和控制模块，用于对第二级放大电路模块输出的串行信号进行模数转换和采集，以及对多路选通模块的控制。