CN103162839B - 用于Nb5N6常温太赫兹检测器线阵的读出电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于Nb5N6常温太赫兹检测器线阵的读出电路，包括：与Nb5N6常温太赫兹检测器线阵相连接的恒流偏置提供模块，用于对所述检测器提供偏置；与Nb5N6常温太赫兹检测器线阵相连接的多路选择模块，用于将所述Nb5N6常温太赫兹检测器线阵的多路输出信号转变为1路信号；放大与滤波模块，用于对所述1路信号进行放大和滤波。本发明除了能完成一般阵列读出电路所具有的信号放大和多路传输等基本功能外，还具有噪声低的特点，输入噪声的有效值为5uV，电压谱密度在白噪声区域为。本发明对于Nb5N6常温太赫兹检测器线阵在主动成像***等具体的实际应用中具有重要的作用。
Description
技术领域
本发明属于太赫兹检测与微弱信号检测等领域，具体涉及一种太赫兹检测器线阵的读出电路，更具体涉及一种用于Nb5N6常温太赫兹检测器线阵的读出电路，有望应用于太赫兹主动成像***。
背景技术
太赫兹波是指频率位于0.1~10THz之间的电磁波，人们目前对该波段的利用还受到很多因素的限制，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，采用空气桥结构，通过天线接收太赫兹辐射产生热效应，改变检测器的整体阻值，从而达到探测太赫兹辐射的目的。实际使用时，一般在器件两端加上适当的恒流偏置，在调制后的太赫兹源辐照下，器件两端就会产生周期性的电压信号。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***中得到了成功的运用。
但是，在采用单个器件的主动成像***中，往往需要复杂的光路完成对成像物体的扫描，***体积大，结构复杂，对光路精度的依赖性强，实时性较差。为简化光路***，缩小***体积，提高***成像的实时性，可以参照现有的CCD和CMOS图像传感器，将多个Nb5N6器件做成阵列，在这种情况下，研制对应的阵列读出电路对于Nb5N6阵列在太赫兹主动成像***中的实际运用具有重要的意义。
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Nb5N6常温太赫兹检测器的特点，为其阵列设计一种高增益、低噪声、线性度好的（串行）读出电路，实现偏置提供、多路传输和信号放大的基本功能，以期将其成功应用于太赫兹主动成像***。
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Nb5N6常温太赫兹检测器线阵的读出电路，包括：
与Nb5N6常温太赫兹检测器线阵相连接的恒流偏置提供模块，用于对所述检测器提供偏置；
与Nb5N6常温太赫兹检测器线阵相连接的多路选择模块，用于将所述Nb5N6常温太赫兹检测器线阵的多路输出信号转变为1路信号；
低噪声放大与滤波模块，用于对所述1路信号进行放大和滤波，将信号放大到需要的范围，同时提高信噪比。
进一步的，所述恒流偏置提供模块包括三极管、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Nb5N6常温太赫兹检测器线阵。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，所述多路选择模块包括集成芯片ADG506A和与所述芯片ADG506A的模拟和数字通道连接的保护二极管。
进一步的，所述低噪声放大与滤波模块为带通放大与滤波模块。更进一步的，所述低噪声放大与滤波模块由三级电路依次级联构成：第一级电路包括由第一场效应管（可以是2SK30）构成的源级跟随器，该电路的偏置由第二场效应管（可以是2SK246）构成的恒流源提供；第二级电路包括由差分对管（可以是2SK146）和第一运算放大器（可以是OP42）构成的放大电路，该电路的输入端串联由第一电阻和第一电容构成的一阶高通滤波器，反馈回路中串联由第二电阻和第二电容构成的一阶低通滤波器，所述差分对管（可以是2SK146）的偏置由第三场效应管（可以是2SK246）构成的恒流源提供；第三级电路包括一阶带通滤波器和二阶低通滤波器级联构成的滤波电路，所述一阶带通滤波器由第二运算放大器构成。
进一步的，所述恒流偏置提供模块与Nb5N6常温太赫兹检测器线阵之间的连接采用邦定（Wire bonding）工艺。
进一步的，所述Nb5N6常温太赫兹检测器线阵为1×16线阵，所述多路选择模块为16选1模块。
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1×16线阵的低噪声读出电路。电路能够为Nb5N6常温太赫兹检测器提供0.1~0.4mA范围内可调的恒流偏置，增益设计为10000倍，实际测量结果为6500倍，通带范围设计为159Hz~113kHz，实际测量结果为160Hz~100kHz，采用方波信号对实际检测器的输出波形进行模拟，测得输出信号下降为峰值的70%大约需要0.8ms，上升为峰值的70%大约需要5us，电路输出噪声为白噪声，幅值主要分布在±100mV的范围内，故输出噪声的有效值为30mV，换算到输入端，得到输入噪声有效值为5uV，由测量的输出噪声电压谱密度分布，得到在白噪声部分，输出电压谱密度为 ，换算到输入端为。***的测量结果表明，该读出电路能够成功实现偏置提供、多路选择和信号放大等功能，且噪声较低，适合Nb5N6常温太赫兹检测器线阵使用。
附图说明
图1为读出电路总体框图；
图2 为单路恒流偏置电路图；
图3为ADG506A功能模块图；
图4为放大与滤波模块第一级电路图；
图5为放大与滤波模块第二级电路图；
图6（a）为放大与滤波模块第三级电路中的一阶带通滤波器的电路图，图6（b）为放大与滤波模块第三级电路中的二阶低通滤波器的电路图；
图7为读出电路的幅频响应图；
图8（a）为输入方波时，读出电路输出波形下降时间示意图图8（b）为输入方波时，读出电路输出波形上升时间示意图；
图9为读出电路输出噪声的波形图；
图10为读出电路输出噪声的电压谱密度分布图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
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1×16线阵的低噪声读出电路，其***框图如图1所示，主要由恒流偏置提供模块、多路选择模块和低噪声放大与滤波模块构成，具体实施方式如下。
恒流偏置提供模块：该模块主要是利用当给三极管提供合适的偏置时，它的集电极电流和射级电流基本相等的性质设计的，考虑到***接地的方便性，选用了PNP型三级管S8550。图2给出了单路恒流偏置电路图，流过Nb5N6常温太赫兹检测器的电流为
根据Nb5N6太赫兹检测器工作的要求，选择合适的R1、R2和Rs的阻值，设计恒流偏置在0.1mA~0.4mA之间可调。最终的16路电流源平分为4组，每一组共用一个基极电压偏置，同组之间的电流基本相同，不同组之间的电流相差在0.02mA以内，当负载电阻从1k变为3k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。
多路选择模块：该模块功能主要由芯片ADG506A实现，在模拟和数字通道接上保护二极管，防止电压过大时对芯片造成损毁。ADG506A具有很高的开关速度和较低的导通电阻，根据器件手册，其导通电阻的典型值为280Ω，开关时间为300ns，漏电流为20pA，适合高精度电路使用。图3给出了ADG506A的功能模块图，S1~S16为16路模拟信号的输入引脚，A0~A3和EN为数字控制信号输入引脚，D为信号输出引脚，根据表1所示的选通真值表，A0~A3和EN输入不同状态的控制信号时，ADG506A将输出16路输入信号中与之相对应的一路信号，实现多路选择功能，而控制信号可以由一个51单片机的最小***编程产生（该编程是本领域技术认识熟知的）。
低噪声放大与滤波模块：该模块主要由三级构成，第一级电路如图4所示，场效应管2SK30接成源级跟随器形式，起阻抗变换作用，增强电路的带负载能力。场效应管2SK246接成恒流源形式，用来给2SK30提供偏置。
第二级电路如图5所示，采用了极低噪声的差分对管2SK146（如图5中的虚线框处所示）作为输入级，场效应管2SK246接成恒流源形式，用来给差分对管2SK146提供偏置，运算放大器（简称“运放”）OP42和R7、R8构成负反馈通路，电容C3和电阻R6用于相位补偿，电路的增益为，主要由R7和R8决定，设计为100倍。R3和C2构成一阶高通滤波器，截止频率，设计为159Hz，R8和C4构成一阶低通滤波器，截止频率设计为159kHz。
第三级电路如图6（a）和图6（b）所示，其中图6（a）为一阶带通滤波器，设计的通带为159Hz到159kHz，运放OP42接成同相放大器形式，通带增益，设计为101倍。图6（b）为二阶低通滤波器，截止频率，设计为113kHz，运放接成电压跟随器形式，故通带增益为1。
将图4、图5、图6（a）和图6（b）中的输入端和输出端依次连接在一起（其中第一级电路的输入端连接多路选择模块的输出端，第三级电路的输出端接后续电路），即可得到整个低噪声放大与滤波模块。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10000倍，通带为159Hz到113kHz，将多路选择模块和该模块相级联，测得的幅频响应与理论值对比结果如图7所示，测量的通带增益为6500倍，下限频率为160Hz，上限频率为100kHz，电路的通带与设计值基本相同。
输入方波信号模拟实际检测器的输出信号，测得电路的下降时间和上升时间分别如图8（a）和图8（b）所示，放大后的信号下降为峰值的70%大约需要0.8ms，上升为峰值的70%大约需要5us。
将多路选择模块的16路输入全部接地，利用示波器观测到的电路输出噪声如图9所示，可见，输出噪声为白噪声，满足高斯分布，噪声幅值主要分布在±100mV的范围内，故输出噪声的有效值为30mV，换算到输入端，得到电路的输入噪声有效值为5uV。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10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。
Claims (7)
1.一种用于Nb5N6常温太赫兹检测器线阵的读出电路，其特征在于，包括：
与Nb5N6常温太赫兹检测器线阵相连接的恒流偏置提供模块，用于对所述检测器提供偏置；
与Nb5N6常温太赫兹检测器线阵相连接的多路选择模块，用于将所述Nb5N6常温太赫兹检测器线阵的多路输出信号转变为1路信号；
低噪声放大与滤波模块，用于对所述1路信号进行放大和滤波；
所述低噪声放大与滤波模块为带通放大与滤波模块；
所述低噪声放大与滤波模块由三级电路依次级联构成：第一级电路包括由第一场效应管构成的源级跟随器，该电路的偏置由第二场效应管构成的恒流源提供；第二级电路包括由差分对管和第一运算放大器构成的放大电路，该电路的输入端串联由第一电阻和第一电容构成的一阶高通滤波器，反馈回路中串联由第二电阻和第二电容构成的一阶低通滤波器，所述差分对管的偏置由第三场效应管构成的恒流源提供；第三级电路包括一阶带通滤波器和二阶低通滤波器级联构成的滤波电路，所述一阶带通滤波器由第二运算放大器构成。
2.根据权利要求1所述用于Nb5N6常温太赫兹检测器线阵的读出电路，其特征在于：所述恒流偏置提供模块包括三极管、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Nb5N6常温太赫兹检测器线阵。
3.根据权利要求2所述用于Nb5N6常温太赫兹检测器线阵的读出电路，其特征在于：所述三极管为PNP型三极管。
4.根据权利要求3所述用于Nb5N6常温太赫兹检测器线阵的读出电路，其特征在于：所述PNP型三极管的型号为S8550。
5.根据权利要求1所述用于Nb5N6常温太赫兹检测器线阵的读出电路，其特征在于：所述多路选择模块包括集成芯片ADG506A和与所述芯片ADG506A的模拟和数字通道连接的保护二极管。
6.根据权利要求1所述用于Nb5N6常温太赫兹检测器线阵的读出电路，其特征在于：所述恒流偏置提供模块与Nb5N6常温太赫兹检测器线阵之间的连接采用邦定工艺。
7.根据权利要求1所述用于Nb5N6常温太赫兹检测器线阵的读出电路，其特征在于：所述Nb5N6常温太赫兹检测器线阵为1×16线阵，所述多路选择模块为16选1模块。
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