第十讲 红外系统弱信号前置放大器

在红外系统中,探测器把来自目标的弱辐射信号转换成微弱的电信号.为了不恶化探测器输出的信噪比,前置放大器的噪声必须很低,使红外系统的灵敏度主要由探测器输出的信噪比决定.本文在分析电阻性信号源晶体管放大器噪声特性的基础上,把探测器、偏置电路和前置放大器作为整体,导出偏置电路元件的选择原则和对第一级晶体管噪声特性的要求.介绍了几个用于实际红外系统中锑化铟(InSb)、碲镉汞(HgCdTe)、硫化铅(PbS)和钽酸锂(LiTa?3)等探测器的前置放大器电路.     

温度传感器校准系统中红外信号检测电路设计

为了提高红外探测器检测红外微弱信号的精度,采用晶体管恒流偏置电路,使用低噪声高速运算放大器构成了前置放大电路。运用电路理论建立放大电路的噪声等效模型,采用叠加法计算1级放大输出端的噪声电压。通过中温黑体炉红外辐射实验,测试电路性能,取得了500℃~700℃时的电压波形,计算得出信噪比为7.25×103。结果表明,红外探测器前置放大电路达到高信噪比、响应速率快、抗干扰强的应用要求,可以对红外微弱信号检测放大。     

前置放大器与高阻抗有机光导探测器的匹配研究

红外有机半导体探测器是一个新兴红外研究领域,并有着广阔的、诱人的应用前景.而与之匹配的前置放大器,不但是展现材料和器件光电特性的核心部件,而且其性能将最终制约探测器的应用范围.研究了红外有机半导体光导探测器与前置放大器的偏置方式、耦合方法和噪声特性等关键技术,并结合实验测试结果,系统讨论了有机高阻光导探测器与前置放大器匹配设计的一般规律.     

低温下JFET的噪声特性

对于空间技术和天文观测中应用的1～5μm大气窗口的高灵敏红外探测系统,前置放大器已经开始成为限制灵敏度的重要因素。对前置放大器的要求,除了尽可能低的噪声外,其频率响应及动态范围也应满足一定的要求。为了改善引线电容对频率特性的影响,同时也减小低温下引线的微音效应,前置放大器的输入级尽可能靠近工作于低温下的探测器是必要的。因此,研究结型场效应管(JFET)     

HgCdTe探测器的低噪声集成放大器

HgCdTe红外探测器的噪声很低,为了不降低探测器的性能,配用前置放大器的噪声应低于2nV/(1/Hz)~2。作者曾经详细分析了这个问题并指出:分立型低频低噪声晶体管3DX6适于大部分中、长波HgCdTe探测器的要求。随着对放大器小型化的需要,以及多元探测器对放大器的低噪声的需要增加,迫切要求有适合于HgCdTe探测器使用的集成化低噪声     

集成微型电路光电装置用脉冲信号前置放大器

本文叙述前置放大器的线路并列举了其试验研究结果。这种前置放大器能与许多光电探测器,如InSb、PbS、PbSe探测器相匹配。这类光电探测器广泛应用于科学研究及研制各种仪器并具有很大的剩余噪声电子。前置放大器按ИП1A成批集成微型电路装配,它是一种组合晶体管,在噪声电平较小及信号源阻值范围很宽(1千欧≤R_т≤100千欧)的情况下保证高的输入阻抗。     

用于低温致冷光导红外探测器的直接耦合低噪声前置放大器

转移阻抗前置放大器(TIA)是一种直接耦合的负反馈工作电路,它已成功地应用到超高阻抗低温致冷光导探测器电路中。前置放大器的开环增益可简化有关这电路的全部时间常数。这样的放大器,有9×10~(10)Ω的转移阻抗电阻,产生均匀的频率响应达700Hz,是无补偿探测器-前置放大器响应频率0.184Hz的3800倍。TIA放大器较之一般的电路有很大的优点。由于它的实际接地,使探测器偏压保持常数,而改善了直线性;使前置放大器的开环增益降低前置放大器的输入阻抗和输入信号电压,因而降低了微音器的灵敏度和减少了多元件探测器阵列中的相互串音。TIA电路中前置放大器噪声,如同别的均衡电路的噪声一样,会减低探测器的探测度,所以,一定要减到最小。本文研究其关系,得出TIA前置放大器的热噪声和前置放大器的噪声极限。这个前置放大器的设计电路,已在LWIR频谱仪中成功地使用。1973年3月22日,在阿拉斯加Poker低地,用黑雁VC火箭发射了这个LWIR频谱仪,在45-185km的高度范围内,取得了6.72-23.2μm的极光发射光谱,在9.6和15μm处其主要的特性受到臭氧和二氧化碳的影响。     

国外动态

据外刊《红外物理》1982年第22卷第5期报道,西德蒂宾根天文研究所研制成一种用于红外探测器的低温低噪声超阻抗放大器。该所为了适应红外摄象机在空间的自动信息试验之需要,研制一种超低背景红外探测器用的前置放火器。噪声等效功率低于1.0×10~(-15)瓦·赫~(-1/2)的红外探测器主要受其放大器噪声限制,适于此种应用的放大器便称为“超阻抗放大器”。这种电路通常组装的方法是采用一只低温环境工作的场效应晶体管和一只室温工     

基于红外探测器的前置放大器噪声特性分析

红外探测器的快速发展引起了国内外的广泛关注,但其读出电路的发展却相对滞后。如何降低电路噪声是读出电路研究热点之一,本文就红外探测器的电压型和跨导型两种基本结构前置放大器,建立了噪声等价模型,分析比较了其信噪比。并根据具体探测器对前置放大器进行了优化设计,以广泛适用于各种类型的红外探测器。     

深低温、低功耗、低噪声微型前置放大器

为了降低红外系统的噪声,提出了一种新的电路结构,利用单端折叠共源共栅结构和MOS管工作在线性区做反馈电阻,设计了一种在深低温(100K左右)工作的高性能低功耗、低噪声前置放大器。分析了其噪声特性,并提出了减少噪声的措施,仿真结果显示该前置放大器的输出电压噪声很小,3dB带宽大于10kHz。此前置放大器用1.2μm的标准CMOS工艺制造完成,四单元芯片的大小为2.1mm×2.9mm。经测试,这种前置放大器在深低温下能正常工作,反馈电阻大小为兆欧级,等效输入噪声电流仅0.03pA/Hz1/2,单元功耗小于1mW,与红外探测器连接后工作正常,线性度较好。     

在低温下工作的红外探测器和前置放大器系统

本文介绍在低温下工作的掺杂半导体辐射热计和光电导红外探测器的有关设计方程式。评鉴相应的前置放大器并研究探测器和前置放大器组合时可能产生的噪声性能。     

锑化铟光伏探测器的热噪声限工作

本文介绍在温度≤77K及相当低的背景辐射下工作的锑化锢光伏探测器,其性能达到了热噪声限。在这种条件下,等效噪声功率完全取决于探测器的工作温度、电阻和量子效率。在大批制造这种有效的探测器时,最佳参数选择可使5微米的噪声等效功率低达10~(-15)瓦。这种特定的前置放大器,对于达到热噪声限工作是很关键的,文内作了详细叙述。     

低温高阻红外光子探测器用的光耦合前置放大器

为减小光子型红外探测器的热噪声,通常采用降低探测器工作温度和提高其自身阻值的办法。例如,用于低背景辐射条件下的高灵敏InSb(PV)探测器,工作温度低达4.2K,零偏电阻高达10~8～10~(10)Ω,从而使器件的NEP值达到10~(-16)W/Hz~(1/2)的水平。在这种条件下,前置放大器常常成为限制灵敏度及系统性能的主要障碍。常用的互阻型前置放大器     

焦平面输入电路研究

在混合式焦平面阵列中，探测器和读出电路的耦合通过输入级电路实现。为分析输入电路对探测器-放大器系统性能的影响，用分立元件设计制作了一个三级的前置放大器并进行了模拟实验，实验表明放大器输入级噪声是造成探测器信噪比下降的主要因素，应用中应该选用具有特定噪声性能的放大器与探测器匹配。研究了焦平面中常用的直接注入(DI)和电容反馈放大电路(CTIA)与探测器耦合时在噪声、输入阻抗、工作点匹配等方面应具备的条件。提出了临界输入阻抗的概念，实验表明，当电路的输入阻抗低于此临界值时(对于GaN p?蛳i?蛳n 光伏探测器来说约为106 Ω)，焦平面才能获得较高的注入效率。     

基于APD的光电探测器电路研究与设计

提出将APD与前置放大器电路配合使用的最佳方法.利用光电转换信噪比数学模型,确定选择与APD匹配的电路器件,给出了前置放大器采用低噪声的分体器件与集成运算放大器相组合的设计方法.通过对前置放大器重要参数信噪比进行测量和分析.结果表明,该探测器电路信噪比优于直接与集成运算放大器匹配的探测器电路,且可靠性高,宜扩展,具有广泛的应用前景.     

HgCdTe、InSb红外光生伏特探测器的低噪声前置放大器的设计与分析

前置放大器的设计不单是一个纯电子学的问题,而是光敏元件如何正确使用的问题,要求前置放大器对探测器提供的噪声降到最小。本文的目的在于介绍红外光生伏特探测器HgCdTe、InSb的噪声机理与工作点的偏置方法,并介绍了前置放大器的噪声机理以及测量参数,讨论了放大器对不同性能的探测器提供的噪声系数F_d,文章也给出了低噪声变压器的设计。     

光外差前置放大器的设计原理

在红外系统中,目标的辐射经过红外探测器之后通常只能得到微伏级电讯号。为了满足终端设备要求,必须用高增益的放大器对信号加以放大。随着放大器增益的提高,系统的噪声也增大。而放大系统内部噪声与其工作状态密切相关。若单纯追求放大器的增益而忽略降低放大系统的噪声将使输出级的动态范围被噪声填满。为了提高设备的灵敏度必须降低噪声。因此,低噪声前置放大器的设计和调试是提高系统灵敏度的重要环节,而低噪声前置放大器的理论是设计的基础。     

低噪声大面积锂漂移锗PIN二极管红外探测器

本文介绍红外探测用锂漂移锗PIN二极管特性。在1.6微米波长的光波灵敏度最大,其外部量子效率为0.66。测得的噪声等效功率NEP值为2·10~(-14)瓦·秒~(1/2),探测度为2.8·10~(13)厘米·瓦~(-1)·秒~(-2)。这些参数是受前置放大器限制的。探测器暗电流的散粒噪声可能产生的NEP值为2.10~(-15)瓦·秒~(1/2)。     

光导红外探测器用的极低噪声前置放大器和偏流源

1.引言在资料〔1〕和〔2〕作者提出采用碲镉汞光导探测器的改进型扫描温度计时,发现必须设计一个低噪声前置放大器,以使探测器的能力得以全部发挥出来。在8赫～10千赫频带范围内测得的探测器噪声电平约2.5微伏峰-峰值,其电阻是35欧。系统要求放大器总的稳定性优于0.3％,脉冲响应时间为20微秒,并对20毫秒的脉冲平顶降落小于0.3％。为了达到这种脉冲特性,放大器的     

光耦合负反馈前置放大器

本文介绍一种用于光伏型红外探测器的新型前置放大器。这种放大器采用光耦合负反馈,解决了互阻型前置放大器(TIA)因反馈电阻而造成的时间常数过大和动态范围小的问题。文中还给出用发光二极管和光敏三极管实现这种光耦合的实用电路、原理及测试结果。