甚高灵敏度红外探测器读出电路实现方法研究

随着红外焦平面技术的不断发展,红外焦平面探测器应用领域越来越广泛,这对红外焦平面探测器灵敏度提出更高的要求。本文首先分析了传统TDI型读出电路的降噪原理,通过仿真、测试及理论分析论述了传统TDI型读出电路提高红外探测器灵敏度的局限性,并计算出传统TDI型红外探测器所能实现的最优NETD值为4.19 mK。随后分析了像素级数字化TDI型读出电路的噪声来源及如何降低各类噪声,通过仿真结果结合理论计算得出像素级数字化TDI型红外探测器在应用32级TDI时NETD可达到亚毫K级,能够实现甚高灵敏度红外探测器的需求。     

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.     

1280 × 1024，10 μm数字红外焦平面读出电路设计（特邀）

焦平面红外探测器的数字读出是其发展的一个重要方向,相比传统的模拟红外焦平面探测器,数字红外焦平面探测器具有诸多优势。数字红外焦平面探测器的核心在于数字读出电路。文中详细介绍了1280 × 1024, 10 μm数字焦平面读出电路的设计和实现。通过对读出电路的测试得到其噪声为157 μV,在50 Hz帧频下功耗为165 mW,列级固定图案噪声为0.1%。所设计的数字读出电路与短波红外探测器成功实现了倒装焊互连并完成了成像,所成图像清晰、细节丰富。测试结果和探测器成像效果表明,所设计的数字读出电路具有低噪声、高传输带宽、高抗干扰性等特点,有助于提升红外焦平面探测器的各项性能。     

高性能低噪声数字读出电路

红外焦平面的数字读出是信息化发展的必然方向,其关键技术是数字读出电路。介绍了数字读出电路的发展现状和主要架构,重点分析了时间噪声和空间噪声的来源和影响,并给出低噪声设计指导。同时对线性度、动态范围和帧频等主要性能进行了讨论,设计了两款数字读出电路。采用列级ADC数字读出架构设计了640×512数字焦平面探测器读出电路,读出噪声测试结果为150 μV,互连中波探测器测试NETD为13 mK。基于数字像元读出架构设计了384×288数字焦平面探测器读出电路,互连长波探测器测试NETD小于4 mK,动态范围超过90 dB,帧频达到1 000 Hz。所设计的两款读出电路有效提升了红外焦平面的灵敏度、动态范围和帧频等性能,表明数字读出电路技术对红外探测器性能的提升具有重要作用。     

高增益低噪声热释电红外探测器前置放大器设计研究

提出一种新的高增益低噪声热释电红外探测器电路模型.采用双极型结型场效应(BJFET),通过改变时间常数解决了热释电前置放大器输出信号弱和易受干扰的关键问题,理论推导了热释电电路的输出电流和电压响应,系统地分析了改进的前置放大器的噪声和温度特性.经实验验证:该电路实现了大电流、宽频带、高增益、低噪声等优化特性.     

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。     

混成红外探测器列阵与改善动态范围的CMOS读出电路

美国专利US7551059 (2009年6月23日授权)本发明提供一种混成图像传感器,它包括一个CMOS读出电路和一个红外探测器列阵。CMOS读出电路通过铟柱焊接与红外探测器列阵的至少一个探测器连接。CMOS读出电路包括两个放大器电路,这     

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。     

用于红外探测器的低温工作的低噪声跨阻抗放大器

在AIT发展空间应用红外照象技术期间,我们对用于超低背景红外探测器的前置放大器进行了研究。噪声等效功率低于1.0 ×10~(-16)WHz~(-1/2)的探测器,许多情况下,受其前置放大器的噪声的限制。对于这种应用的最适当的放大器,如文献[1]所述,是所谓跨阻抗放大器,构成这种电路的最普通方法是在致冷系统里使用场效应晶体管,而在室温下使用运算放大器。最佳的情况是只使用一个低温工作的运算放大器。然而迄今,对于这种特殊的应用,没有可供符合下列苛刻要求的运算放大器商品。这些     

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.     

红外读出电路噪声优化分析

为了优化不同波段红外读出电路的噪声性能,给出了系统的CTIA结构读出电路噪声模型,分析了积分电容与积分时间对不同成分噪声的影响,得出了在不同红外波段探测下,噪声随积分参数取值的变化曲线。该优化研究将红外传感器件的物理特性光电流大小与读出电路的噪声特性联系在了一起,阐明了对于不同红外波段的探测,在一定的制造工艺范围内,积分电容都有最优的取值,且取值与探测器的并联电容有直接的关系;输出噪声与电路结构相互的影响也是不同的,CDS结构对长波读出电路噪声性能的改善优于中波读出电路。     

红外探测器信息获取系统噪声特性

从理论上完成了红外图像传感器信息获取电路的噪声建模,并且分别从仿真和测试两个方面对电路的噪声进行分析。三种分析方法的结果基本相同,均为0.11mv左右。从原理和实验两个方面证明了基于仪放的模拟信号调理电路可以满足噪声低至0.2mv的红外探测器航天应用需求。在完成噪声量大小分析的同时进行了噪声频谱特性分析,证明了信息获取电路噪声主要成分是1/f噪声和白噪声,二者均满足高斯分布。     

红外探测器信息获取系统噪声特性

理论上完成了红外图像传感器信息获取电路的噪声建模,并且分别从仿真和测试两个方面对电路的噪声进行分析.三种分析方法的结果基本相同,均为0.11 m V左右.从原理和实验两个方面证明了基于仪放的模拟信号调理电路可以满足噪声低至0.2 m V的红外探测器航天应用需求.在完成噪声量大小分析的同时进行了噪声频谱特性分析,证明了信息获取电路噪声主要成分是1/f噪声和白噪声,二者均满足高斯分布.     

二极管非制冷红外探测器及其读出电路设计

针对非制冷红外技术的低成本高性能应用,提出了基于SOI的二极管红外探测器及其读出电路的集成设计方案。阐述了二极管非制冷红外探测器的基本原理和工艺实现。对探测器的电学特性进行理论推导,得出读出电路的设计指标。采用连续时间自稳零电路结构实现探测器输出信号的低噪声低失调放大,采用级联滤波器以减弱开关非理想因素的影响,并采用片内电容采样保持,使得I/O引脚数较少,从而减小版图面积。采用spectre工具进行仿真,在CSMC 0.5 m 2P3M CMOS工艺下实现。结果表明:读出电路性能良好,闭环增益为65.8 dB,等效输入噪声谱密度为450 nV/Hz,等效输入失调电压100 V以内,功耗为5 mW,能实现探测器信号的准确读出。     

红外探测器振动噪声自动采集系统设计

红外探测器应用时受环境影响或外力作用会产生机械振动,从而引起振动噪声。噪声电压干扰会极大地降低探测器的跟踪能力和探测距离。因此振动噪声引起广泛关注,它是评价探测器的重要参数,也是剔除不合格探测器的重要手段。随着国内与国际市场对红外探测器的需求日益增加,传统人工监测并记录的测试方法已不能满足目前的产能需求。研究了一款支持不同规格红外探测器的振动噪声自动采集系统,主要介绍了系统设计原理、系统组成、各模块功能等。该系统的成功应用有效解决了红外探测器振动噪声测试效率低、准确率低的问题。以一款多元探测器为例,测试效率提高3倍,准确率为100%。该系统实现了振动噪声测试自动采集、无人值守,节约了人力成本。     

光电探测器噪声分析及降低噪声的方法

探讨了光电探测器的噪声，分析了光电探测器的噪声电压、噪声电流的影响因素，并提出了解决的方法。根据探测器噪声影响因素，分析了普通检测电路存在的不足，设计了一种优化检测电路，通过减小电路带宽，减少噪声，从而提高系统的信噪比，增强探测器的探测能力。     

4路长积分时间CCD成像电路的设计与实现

基于CCD47-20和CCD55-30探测器设计了一种4路探测器成像电路。由于积分时间长,该系统可以在弱光条件下实现高灵敏度成像。建立了探测器的驱动电路模型,分析了CCD探测器对驱动的要求,以选择合适的驱动芯片;在分析探测器噪声特性的基础上,通过相关双采样法和合理的滤波器设置抑制了电路噪声。针对4路探测器信号处理电路之间的串扰问题进行了分析和对比,为合理的PCB布局布线提供了参考。该成像电路与商用镜头搭配使用后已成功获取了微光条件下的低噪声外景图像。     

测试环境对亚毫开红外探测器测试结果的影响研究

红外探测器是红外系统的核心器件。近年来,高灵敏度、低噪声成为红外探测器技术的研究热点之一。对于噪声等效温差(Noise Equivalent Temperature Difference, NETD)值小于1 mK的低噪声红外探测器,环境因素对其性能的影响不可忽视。从黑体控温精度、测试环境温度、测试环境中的气流扰动等方面,分析了测试环境对亚毫开红外探测器测试结果的影响,并对低噪声红外探测器的测试方法进行了探究。实验结果表明,黑体控温精度对高灵敏度红外探测器的NETD值有直接影响,测试环境温度与气流扰动会影响黑体控温稳定性,从而间接影响NETD测量的准确度。     

光电探测器噪声分析及降低噪声的方法

本文探讨了光电探测器的噪声,分析了光电探测器的噪声电压、噪声电流的影响因素,并提出了解决的方法.根据探测器噪声影响因素,分析了普通检测电路的存在的不足,设计了一种优化检测电路,通过减小电路带宽,减少噪声,从而提高系统的信噪比,增强探测器的探测能力.