用於Nb₅N₆常溫太赫茲檢測器線陣的讀出電路的製作方法

2023-12-07 23:50:21 2

專利名稱：用於Nb5N6常溫太赫茲檢測器線陣的讀出電路的製作方法
技術領域：
本發明屬於太赫茲檢測與微弱信號檢測等領域，具體涉及一種太赫茲檢測器線陣的讀出電路，更具體涉及一種用於Nb5N6常溫太赫茲檢測器線陣的讀出電路，有望應用於太赫茲主動成像系統。
背景技術：
太赫茲波是指頻率位於0.f IOTHz之間的電磁波，人們目前對該波段的利用還受到很多因素的限制，研製靈敏度高、成本低、便於應用的太赫茲檢測器也是目前太赫茲研究的一個熱點。Nb5N6常溫太赫茲檢測器屬於微測輻射熱計，採用空氣橋結構，通過天線接收太赫茲輻射產生熱效應，改變檢測器的整體阻值，從而達到探測太赫茲輻射的目的。實際使用時，一般在器件兩端加上適當的恆流偏置，在調製後的太赫茲源輻照下，器件兩端就會產生周期性的電壓信號。該探測器具有電壓響應率高，噪聲低等優點，工作在室溫環境下，使用方便，為太赫茲檢測提供了一種有效的途徑，單個器件已在我們的太赫茲主動成像系統中得到了成功的運用。但是，在採用單個器件的主動成像系統中，往往需要複雜的光路完成對成像物體的掃描，系統體積大，結構複雜，對光路精度的依賴性強，實時性較差。為簡化光路系統，縮小系統體積，提高系統成像的實時性，可以參照現有的CCD和CMOS圖像傳感器，將多個Nb5N6器件做成陣列，在這種情況下，研製對應的陣列讀出電路對於Nb5N6陣列在太赫茲主動成像系統中的實際運用具有重要的意義。

發明內容
發明目的:針對上述現有技術存在的問題和不足，本發明的目的是根據Nb5N6常溫太赫茲檢測器的特點，為其陣列設計一種高增益、低噪聲、線性度好的(串行)讀出電路，實現偏置提供、多路傳輸和信號放大的基本功能，以期將其成功應用於太赫茲主動成像系統。技術方案:為實現上述發明目的，本發明採用的技術方案為一種用於Nb5N6常溫太赫茲檢測器線陣的讀出電路，包括:
與Nb5N6常溫太赫茲檢測器線陣相連接的恆流偏置提供模塊，用於對所述檢測器提供偏置；
與Nb5N6常溫太赫茲檢測器線陣相連接的多路選擇模塊，用於將所述Nb5N6常溫太赫茲檢測器線陣的多路輸出信號轉變為I路信號；
低噪聲放大與濾波模塊，用於對所述I路信號進行放大和濾波，將信號放大到需要的範圍，同時提高信噪比。進一步的，所述恆流偏置提供模塊包括三極體、分壓電阻和限流電阻，所述三極體的基極連接分壓電阻，三極體的射級連接限流電阻，集電極連接Nb5N6常溫太赫茲檢測器線陣。優選的，所述三極體為PNP型三極體。更優選的，所述PNP型三極體的型號為S8550。
進一步的，所述多路選擇模塊包括集成晶片ADG506A和與所述晶片ADG506A的模
擬和數字通道連接的保護二極體。進一步的，所述低噪聲放大與濾波模塊為帶通放大與濾波模塊。更進一步的，所述低噪聲放大與濾波模塊由三級電路依次級聯構成:第一級電路包括由第一場效應管(可以是2SK30)構成的源級跟隨器，該電路的偏置由第二場效應管(可以是2SK246)構成的恆流源提供；第二級電路包括由差分對管(可以是2SK146)和第一運算放大器(可以是0P42)構成的放大電路，該電路的輸入端串聯由第一電阻和第一電容構成的一階高通濾波器，反饋迴路中串聯由第二電阻和第二電容構成的一階低通濾波器，所述差分對管(可以是2SK146)的偏置由第三場效應管(可以是2SK246)構成的恆流源提供；第三級電路包括一階帶通濾波器和二階低通濾波器級聯構成的濾波電路，所述一階帶通濾波器由第二運算放大器構成。進一步的，所述恆流偏置提供模塊與Nb5N6常溫太赫茲檢測器線陣之間的連接採用邦定(Wire bonding)工藝。進一步的，所述Nb5N6常溫太赫茲檢測器線陣為I X 16線陣，所述多路選擇模塊為16選I模塊。有益效果:本發明根據Nb5N6常溫太赫茲檢測器電壓響應率高、噪聲低等特點，選用合適的集成晶片，設計了一種應用於1X16線陣的低噪聲讀出電路。電路能夠為Nb5N6常溫太赫茲檢測器提供0.r0.4mA範圍內可調的恆流偏置，增益設計為10000倍，實際測量結果為6500倍，通帶範圍設計為159Hz 113kHz，實際測量結果為160Hz 100kHz，採用方波信號對實際檢測器的輸出波形進行模擬，測得輸出信號下降為峰值的70%大約需要0.8ms,上升為峰值的70%大約需要5us，電路輸出噪聲為白噪聲，幅值主要分布在± IOOmV的範圍內，故輸出噪聲的有效值為30mV，換算到輸入端，得到輸入噪聲有效值為5uV，由測量的輸 出噪聲電壓譜密度分布，得到在白噪聲部分，輸出電壓譜密度為
換算:到輸入端為〗5,/、品。系統的測量:結果表明，i亥i賣出電路能夠成功實現偏置提供、多路選擇和信號放大等功能，且噪聲較低，適合Nb5N6常溫太赫茲檢測器線陣使用。


圖1為讀出電路總體框 圖2為單路恆流偏置電路 圖3為ADG506A功能模塊 圖4為放大與濾波模塊第一級電路 圖5為放大與濾波模塊第二級電路 圖6 (a)為放大與濾波模塊第三級電路中的一階帶通濾波器的電路圖，圖6 (b)為放大與濾波模塊第三級電路中的二階低通濾波器的電路 圖7為讀出電路的幅頻響應 圖8 (a)為輸入方波時,讀出電路輸出波形下降時間不意8 (b)為輸入方波時,讀出電路輸出波形上升時間示意 圖9為讀出電路輸出噪聲的波形圖；圖10為讀出電路輸出噪聲的電壓譜密度分布圖。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施例，進一步闡明本發明，應理解這些實施例僅用於說明本發明而不用於限制本發明的範圍，在閱讀了本發明之後，本領域技術人員對本發明的各種等價形式的修改均落於本申請所附權利要求所限定的範圍。本發明根據Nb5N6常溫太赫茲檢測器電壓響應率高、噪聲低等特點，選用合適的集成晶片，設計了一種應用於1X16線陣的低噪聲讀出電路，其系統框圖如圖1所示，主要由恆流偏置提供模塊、多路選擇模塊和低噪聲放大與濾波模塊構成，具體實施方式
如下。恆流偏置提供模塊:該模塊主要是利用當給三極體提供合適的偏置時，它的集電極電流和射級電流基本相等的性質設計的，考慮到系統接地的方便性，選用了 PNP型三級管S8550。圖2給出了單路恆流偏置電路圖，流過Nb5N6常溫太赫茲檢測器的電流為
權利要求
1.一種用於Nb5N6常溫太赫茲檢測器線陣的讀出電路，其特徵在於，包括: 與Nb5N6常溫太赫茲檢測器線陣相連接的恆流偏置提供模塊，用於對所述檢測器提供偏置； 與Nb5N6常溫太赫茲檢測器線陣相連接的多路選擇模塊，用於將所述Nb5N6常溫太赫茲檢測器線陣的多路輸出信號轉變為I路信號； 低噪聲放大與濾波模塊，用於對所述I路信號進行放大和濾波。
2.根據權利要求1所述用於Nb5N6常溫太赫茲檢測器線陣的讀出電路，其特徵在於:所述恆流偏置提供模塊包括三極體、分壓電阻和限流電阻，所述三極體的基極連接分壓電阻，三極體的射級連接限流電阻，集電極連接Nb5N6常溫太赫茲檢測器線陣。
3.根據權利要求2所述用於Nb5N6常溫太赫茲檢測器線陣的讀出電路，其特徵在於:所述三極體為PNP型三極體。
4.根據權利要求3所述用於Nb5N6常溫太赫茲檢測器線陣的讀出電路，其特徵在於:所述PNP型三極體的型號為S8550。
5.根據權利要求1所述用於Nb5N6常溫太赫茲檢測器線陣的讀出電路，其特徵在於:所述多路選擇模塊包括集成晶片ADG506A和與所述晶片ADG506A的模擬和數字通道連接的保護二極體。
6.根據權利要求1所述用於Nb5N6常溫太赫茲檢測器線陣的讀出電路，其特徵在於:所述低噪聲放大與濾波模塊為帶通放大與濾波模塊。
7.根據權利要求6所述用於Nb5N6常溫太赫茲檢測器線陣的讀出電路，其特徵在於:所述低噪聲放大與濾波模塊由三級電路依次級聯構成:第一級電路包括由第一場效應管構成的源級跟隨器，該電路的偏置由第二場效應管構成的恆流源提供；第二級電路包括由差分對管和第一運算放大器構成的放大電路，該電路的輸入端串聯由第一電阻和第一電容構成的一階高通濾波器，反饋迴路中串聯由第二電阻和第二電容構成的一階低通濾波器，所述差分對管的偏置由第三場效應管構成的恆流源提供；第三級電路包括一階帶通濾波器和二階低通濾波器級聯構成的濾波電路，所述一階帶通濾波器由第二運算放大器構成。
8.根據權利要求1所述用於Nb5N6常溫太赫茲檢測器線陣的讀出電路，其特徵在於:所述恆流偏置提供模塊與Nb5N6常溫太赫茲檢測器線陣之間的連接採用邦定工藝。
9.根據權利要求1所述用於Nb5N6常溫太赫茲檢測器線陣的讀出電路，其特徵在於:所述Nb5N6常溫太赫茲檢測器線陣為I X 16線陣，所述多路選擇模塊為16選I模塊。
全文摘要
本發明公開了一種用於Nb5N6常溫太赫茲檢測器線陣的讀出電路，包括與Nb5N6常溫太赫茲檢測器線陣相連接的恆流偏置提供模塊，用於對所述檢測器提供偏置；與Nb5N6常溫太赫茲檢測器線陣相連接的多路選擇模塊，用於將所述Nb5N6常溫太赫茲檢測器線陣的多路輸出信號轉變為1路信號；放大與濾波模塊，用於對所述1路信號進行放大和濾波。本發明除了能完成一般陣列讀出電路所具有的信號放大和多路傳輸等基本功能外，還具有噪聲低的特點，輸入噪聲的有效值為5uV，電壓譜密度在白噪聲區域為。本發明對於Nb5N6常溫太赫茲檢測器線陣在主動成像系統等具體的實際應用中具有重要的作用。
文檔編號G01J5/02GK103162839SQ20131009674
公開日2013年6月19日 申請日期2013年3月25日 優先權日2013年3月25日
發明者康琳, 萬超, 日比康詞, 陳健 申請人:南京大學