CN112583363A - 一种温度补偿式低噪声太赫兹读出电路 - Google Patents

一种温度补偿式低噪声太赫兹读出电路 Download PDF

Info

Publication number
CN112583363A
CN112583363A CN201910933792.0A CN201910933792A CN112583363A CN 112583363 A CN112583363 A CN 112583363A CN 201910933792 A CN201910933792 A CN 201910933792A CN 112583363 A CN112583363 A CN 112583363A
Authority
CN
China
Prior art keywords
terahertz
temperature compensation
circuit
temperature
reading circuit
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201910933792.0A
Other languages
English (en)
Inventor
张新
傅海鹏
马凯学
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tianjin University
Original Assignee
Tianjin University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tianjin University filed Critical Tianjin University
Priority to CN201910933792.0A priority Critical patent/CN112583363A/zh
Publication of CN112583363A publication Critical patent/CN112583363A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F1/00—Details of amplifiers with only discharge tubes, only semiconductor devices or only unspecified devices as amplifying elements
    • H03F1/30—Modifications of amplifiers to reduce influence of variations of temperature or supply voltage or other physical parameters
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
    • G01N21/3581—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light using far infrared light; using Terahertz radiation

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Amplifiers (AREA)

Abstract

本发明公开了一种温度补偿式低噪声太赫兹读出电路，包括依次连接的斩波器、运算放大器、有源低通滤波器、斩波器、有源低通滤波器、ADC，还包括温度补偿电路，所述温度补偿电路为运算放大器、两个有源低通滤波器、ADC提供提供稳定的偏置电压，保证太赫兹读出电路的基准电压不受温度变化的影响。与现有技术相比，本发明的有益效果为，(1)引入温度补偿电路模块，可以去除温度变化对太赫兹读出电路的影响；(2)该结构的太赫兹读出电路受温度影响小，便于集成化、阵列化。

Description

一种温度补偿式低噪声太赫兹读出电路
技术领域
本发明涉及本发明涉及太赫兹成像读出电路领域，尤其涉及一种温度补偿式低噪声太赫兹读出电路。
背景技术
太赫兹(THz)波是指电磁辐射频率在0.1～10THz(即波长为3mm～30μm)的电磁波(1THz＝1012Hz)，该波段介于微波和红外光之间的亚毫米波和远红外波段，由于被研究开发较少，因此这一波段也被称为THz间隙。太赫兹波具有很好的穿透能力，可以穿透塑料、木材、陶瓷、皮草等大多数非金属材料，同时会被金属、毒品、爆炸物等吸收或反射，因此多用于机场安检、医学成像，天文、通信、生物、材料等分析。与X光成像相比，太赫兹成像由于其辐射光子能量较低，因而对生物组织比较安全；与毫米波成像相比，太赫兹成像由于其辐射波长较短，可以获得更高的分辨率。
近年来随着太赫兹辐射源及太赫兹探测器的发展，太赫兹技术得到了很大的应用，目前太赫兹光源的辐射功率较低，太赫兹探测器产生的太赫兹信号幅度微弱(μV量级)，因此需要高增益、低噪声的太赫兹读出电路对探测器的输出信号进行放大。CMOS集成电路设计的问题之一是工艺和器件参数具有较大的温度系数，由于太赫兹探测器输出信号幅度小，因此太赫兹输出信号易受温度变化带来的影响，后端太赫兹读出电路需要获得与温度、电压和工艺变化无关的可靠参考电压及电流。
发明内容
基于上述需求，本发明提出了一种温度补偿式低噪声太赫兹读出电路，目的有以下三点：1、读出电路满足低噪声的特点来放大太赫兹探测器的输出信号。2、通过斩波调制的原理消除读出电路中MOS晶体管引入的闪烁噪声。3、太赫兹读出电路引入温度补偿模块，为太赫兹读出电路提供与温度、电压和工艺变化无关的可靠参考电压及电流，避免温度变化对太赫兹探测器输出信号带来的影响。
为实现本发明的目的，本发明提供了一种温度补偿式低噪声太赫兹读出电路，包括依次连接的斩波器、运算放大器、有源低通滤波器、斩波器、有源低通滤波器、ADC，还包括温度补偿电路，所述温度补偿电路为运算放大器、两个有源低通滤波器、ADC提供提供稳定的偏置电压，保证太赫兹读出电路的基准电压不受温度变化的影响。
与现有技术相比，本发明的有益效果为，
(1)引入温度补偿电路模块，可以去除温度变化对太赫兹读出电路的影响；
(2)该结构的太赫兹读出电路受温度影响小，便于集成化、阵列化。
附图说明
图1现有技术中基于斩波调制结构的太赫兹读出电路结构图；
图2本基于斩波调制结构的温度补偿型太赫兹读出电路结构图；
图3带隙基准原理图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用属于“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、部件或者模块、组件和/或它们的组合。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本发明是基于低噪声斩波调制太赫兹读出电路的一种改进，传统的调制斩波结构的太赫兹读出电路结构如图1所示。太赫兹探测器输出的信号通过斩波器被调制到高频，由于信号幅度较小(μV量级)，为了便于后续信号的处理，因此信号进入运算放大器，随后信号通过斩波器被调制至低频，此时运算放大器及滤波器中MOSFET引入的闪烁噪声被调制至高频，最后通过有源低通滤波器，将闪烁噪声过滤掉。
CMOS集成电路设计的问题之一是工艺和器件参数具有较大的温度系数，由于该结构的太赫兹读出电路并没有进行温度补偿，太赫兹探测器的输出信号在读出电路的处理中容易受到温度的影响，因此本发明添加了温度补偿模块，太赫兹读出电路结构图如图2所示。运算放大器和滤波器等有源器件需要额外的基准电压来提供偏置，而额外的电压会受到温度变化的影响，从而导致读出电路噪声、增益等性能恶化，因此添加的温度补偿模块可以为这些有缘电路提供稳定的偏置电压，保证整个太赫兹读出电路的基准电压不受温度变化的影响。
pn结二极管的正向电压具有负温度系数，两个在不相等的电流密度下的pn结二极管其基极-发射机电压的差值与绝对温度成正比，适当的权重相加即可得到零温度系数的基准电压或电流。带隙基准电路作为温度补偿电路中的核心模块，其原理图如图3所示。由于pn结二极管的正向电压具有负温度系数，由公式(1)可得：
Figure BDA0002220995030000041
其中Eg为硅的带隙能量，Eg≈1.12eV，m≈-1.5，b是一个比例系数，又公式可得pn结二极管的正向电压，具有负温度系数。
如果两个双极晶体管工作在不相等的电流密度下，那么它们的基极-发射极电压的差值就与绝对温度成正比，由公式(2)可得：
ΔVBE＝VBE1-VBE2＝VTlnn (2)
这样，VBE的差值就表现出正温度系数，k为玻尔兹曼常数；T为温度。公式(1)的负温度系数与公式(2)的正温度系数以合理的权重相加，则可以抵消温度变化对整体电路带来的影响。
在图3所示原理图中，两个串联的pn结二极管的正向电压具有负温度系数，而左右二极管n的倍数导致其成正温度系数，为了保证M1和M2晶体管的偏置电流具有相同的温度特性，M1、M2为两个相同的晶体管，用M1、M2代替电阻来给晶体管提供偏置，运放调节PMOS管的栅极电压确保VX和VY相等，最后在输出端产生与温度系数无关的基准电压。M3和M4分别为二极管Q1和Q3提供偏置电压。Q1-Q4分别为二极管，其中Q1和Q2中流过的电流为A，Q3和Q4流过的电流为nA，通过电流密度的不同，保证其极-发射极电压的差值就与绝对温度成正比。运放A1的存在保证X点和Y点处电压大小相等，因此减小了失调电压的影响，从而保证输出端Vout处带隙基准电压的稳定。
本发明基于斩波调制结构的温度补偿型太赫兹读出电路，在原有太赫兹读出电路的基础上引入温度补偿电路结构，通过适当的正负温度系数的权重相加，得到零温度系数的基准电压或电流，消除温度变化对太赫兹读出电路信号的影响。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种温度补偿式低噪声太赫兹读出电路，包括依次连接的斩波器、运算放大器、有源低通滤波器、斩波器、有源低通滤波器、ADC，其特征在于，
还包括温度补偿电路，所述温度补偿电路为运算放大器、两个有源低通滤波器、ADC提供提供稳定的偏置电压，保证太赫兹读出电路的基准电压不受温度变化的影响。
CN201910933792.0A 2019-09-29 2019-09-29 一种温度补偿式低噪声太赫兹读出电路 Pending CN112583363A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910933792.0A CN112583363A (zh) 2019-09-29 2019-09-29 一种温度补偿式低噪声太赫兹读出电路

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910933792.0A CN112583363A (zh) 2019-09-29 2019-09-29 一种温度补偿式低噪声太赫兹读出电路

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN112583363A true CN112583363A (zh) 2021-03-30

Family

ID=75110657

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910933792.0A Pending CN112583363A (zh) 2019-09-29 2019-09-29 一种温度补偿式低噪声太赫兹读出电路

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112583363A (zh)

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100295529A1 (en) * 2009-05-22 2010-11-25 Linear Technology Corporation Chopper stabilized bandgap reference circuit and methodology for voltage regulators
CN102981546A (zh) * 2012-11-23 2013-03-20 国民技术股份有限公司 指数补偿带隙基准电压源
CN103744464A (zh) * 2013-12-20 2014-04-23 中国科学院微电子研究所 一种具有电流补偿的带隙基准电路
CN105300530A (zh) * 2015-11-10 2016-02-03 中国科学院半导体研究所 带有读出电路的太赫兹波探测器
CN105759886A (zh) * 2016-04-20 2016-07-13 佛山臻智微芯科技有限公司 一种降低运放失调电压影响的基准电路
CN106411270A (zh) * 2016-08-30 2017-02-15 成都锐新科技有限公司 宽带高增益低噪声放大器
CN108107963A (zh) * 2016-11-25 2018-06-01 刘德宝 一种低温度系数的可编程带隙基准电压源
CN109450384A (zh) * 2018-09-20 2019-03-08 天津大学 一种基于斩波调制和相关双采样的读出电路

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100295529A1 (en) * 2009-05-22 2010-11-25 Linear Technology Corporation Chopper stabilized bandgap reference circuit and methodology for voltage regulators
CN102981546A (zh) * 2012-11-23 2013-03-20 国民技术股份有限公司 指数补偿带隙基准电压源
CN103744464A (zh) * 2013-12-20 2014-04-23 中国科学院微电子研究所 一种具有电流补偿的带隙基准电路
CN105300530A (zh) * 2015-11-10 2016-02-03 中国科学院半导体研究所 带有读出电路的太赫兹波探测器
CN105759886A (zh) * 2016-04-20 2016-07-13 佛山臻智微芯科技有限公司 一种降低运放失调电压影响的基准电路
CN106411270A (zh) * 2016-08-30 2017-02-15 成都锐新科技有限公司 宽带高增益低噪声放大器
CN108107963A (zh) * 2016-11-25 2018-06-01 刘德宝 一种低温度系数的可编程带隙基准电压源
CN109450384A (zh) * 2018-09-20 2019-03-08 天津大学 一种基于斩波调制和相关双采样的读出电路

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
庹涛: "太赫兹探测器读出集成电路的研究与设计", 《中国优秀博硕士学位论文全文数据库(硕士)信息科技辑》 *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Öjefors et al. Terahertz imaging detectors in a 65-nm CMOS SOI technology
Marczewski et al. THz detectors based on Si-CMOS technology field effect transistors–advantages, limitations and perspectives for THz imaging and spectroscopy
Yang et al. Signal-conditioning block of a 1× 200 CMOS detector array for a terahertz real-time imaging system
Achtenberg et al. Low-noise programmable voltage source
CN112583363A (zh) 一种温度补偿式低噪声太赫兹读出电路
RU2712411C1 (ru) Промежуточный каскад cjfet операционного усилителя с парафазным токовым выходом
Murray et al. A low-power, portable radiation detection system for high count rate, long-term monitoring
WO2018000531A1 (zh) 太赫兹探测装置
Čibiraitė-Lukenskienė et al. Field-effect transistor-based detector for hyperspectral THz imaging
Duan et al. A CMOS multi-sensor array for high accuracy on-chip bacterial growth monitoring
Lynch et al. Low noise direct detection sensors for millimeter wave imaging
Gooding et al. Large format array NIR detectors for future ESA astronomy missions: characterization and comparison
Nagata et al. Development of cryogenic readout electronics for far-infrared astronomical focal plane array
Joo et al. A Low-Cost Measurement Methodology for LiDAR Receiver Integrated Circuits
Zheng et al. Active quenching circuit with adjustable reverse bias voltage for single photon avalanche diodes arrays
Hu et al. A Current-Mode Optoelectronic Receiver IC for Short-Range LiDAR Sensors in 180 nm CMOS
Altun et al. Low-noise readout circuit for SWIR focal plane arrays
Shafique et al. A low-power CMOS readout IC with on-chip column-parallel SAR ADCs for microbolometer applications
Bocci et al. ArduSiPM technology: Compact and light All-in-one detectors for space application
Gan et al. Design of a low-noise front-end readout circuit for CdZnTe Detectors
Eppeldauer et al. Photocurrent measurement of PC and PV HgCdTe detectors
Khatib et al. Pixel-level continuous-time incremental sigma-delta A/D converter for THz sensors
Barile et al. SiPM based Laser Imaging Detection and Ranging VCII Interface
Bezawada et al. Output buffer glow and its mitigation in H4RG-15 detectors
Fang et al. Design and analysis of APD photoelectric detecting circuit

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20210330

RJ01 Rejection of invention patent application after publication