高灵敏太赫兹阵列检测器的低噪声读出电路

Low-Noise Readout Circuit for Sensitive Array Terahertz Radiation Detectors

摘要: 本文基于Nb₅N₆微测辐射热计(microbolometer)低噪声、高阻抗和高响应率的特性，为1 × 64阵列的Nb₅N₆ microbolometer设计了极低噪声的多通道读出电路。读出电路包含直流偏置电路，一、二级放大电路和多通道选择电路等几个部分，对检测器阻抗变化具有较强的鲁棒性，成功实现对64通道的微弱电压信号的放大和采集。电路具有优异的低噪性能，测量且分析比较了电路噪声对Nb₅N₆ microbolometer的影响。电路单通道输入阻抗达100 kΩ，增益约为60 dB，带宽约为30 kHz，噪声约为8.6 nV/Hz^1/2。

Abstract: A low-noise multi-channel readout circuit is designed for 1 × 64 array Nb₅N₆ microbolometers based on Nb₅N₆ microbolometer’s ultralow noise and high responsivity. The readout circuit consists of DC offset circuit, first and second stage amplifier circuits and multi-channel selection circuit, which is robust against the different impedance of the detectors. 64 weak voltage signals are successfully amplified and collected by the readout circuit. The noise of the circuit, as low as Nb₅N₆ microbolometers’, is 8.6 nV/Hz^1/2. The effect of circuit’s noise on Nb₅N₆ microbolometer is measured and analyzed. The input impedance, gain and bandwidth of the circuit are 100 kΩ, 60 dB and 30 kHz respectively.

1. 引言

太赫兹波是指介于毫米波段和红外波段的电磁辐射。近年来，太赫兹领域取得许多进展，利用太赫兹波具有的高相干性，低能性，透射性等特性，太赫兹技术可以广泛应用于生物医学，天文研究，安全检测，通信等领域。

太赫兹检测是太赫兹技术中的关键技术之一，高灵敏度，高响应率，低噪声的太赫兹检测器是近年研究的热点 [1] 。目前国际上有许多课题组，利用CMOS，肖特基二极管，场效应管，氧化钒材料等来进行太赫兹检测器的研究，进一步进行阵列太赫兹检测器件的研究 [2] - [5] 。Nb₅N₆ microbolometer是利用Nb₅N₆薄膜材料制备的测辐射热器件，其具有低噪声、高响应率、易制备大规模阵列等优点。Nb₅N₆ microbolometer为基于热敏电阻原理的检测器 [6] ，利用Nb₅N₆薄膜在常温下的高电阻温度系数(−0.7% K⁻¹)、高太赫兹辐射吸收率的性质进行太赫兹信号的检测。Nb₅N₆ microbolometer的本征等效噪声功率能小于1 ´ 10⁻¹² W/Hz^1/2，噪声小于8 nV/Hz^1/2。器件的直流电阻比较大，约为1~3 kW。对于这样一个高灵敏度、低噪声、高阻抗的检测器，为不损失器件的性能，需要有噪声性能优异，且具有高输入阻抗的读出放大电路与之相配。

我们利用低噪声运算放大器LT1028，为1 ´ 64 Nb₅N₆ microbolometer阵列芯片构建了64通道的负反馈放大读出电路。多通道读出电路具有结构简单、输入阻抗高、噪声低、串扰小、一致性高等特点，很好的完成了对1 ´ 64 Nb₅N₆ microbolometer阵列芯片检测信号的采集、放大和传输。

2. 读出电路架构设计

阵列Nb₅N₆ microbolometer工作原理：平面偶极子天线耦合吸收太赫兹辐射，吸收的能量使Nb₅N₆ microbolometer微桥温度上升，其电阻下降，在通以直流偏置电流的情况下，其电阻变化反映在其两端的电压变化，做到太赫兹辐射强度到电压信号的变换。实际检测时，太赫兹源信号加以频率为1~10 kHz，占空比为50%的方波脉冲调制，检测器输出的电压信号表现为对应频率和占空比的方波电压信号，其峰峰值为100 uV左右，且带有一直流电压分量，此信号即为读出电路的待处理信号。

基于阵列Nb₅N₆ microbolometer的结构和工作原理，设计如图1的读出电路原理架构 [7] [8] 。1 ´ 64 Nb₅N₆ microbolometer所需的64个偏置电流由直流偏置电路提供，其检测输出的64个待处理信号，先由第一级64个并联输出的低噪声放大电路放大，然后由64选1的多路开关进行选通，再经第二级放大电路串行放大，最后用ARM嵌入式芯片进行数据采集和处理。这种结构下，第一级放大电路可以有效的抑制检测器阻抗不同对后部多路选通器的影响。第一级放大电路的噪声是系统的主要噪声，在第一级放大电路的噪声与Nb₅N₆ microbolometer本征噪声相当时，提高第一级放大电路的信噪比可以有效提高系统的信噪比。

3. 电路实现

3.1. 直流偏置电路

单个Nb₅N₆ microbolometer工作需要的直流偏置电流约为0.1~0.5 mA，为了保证Nb₅N₆ microbolometer

的低噪性能尽可能不被读出电路影响，采用低噪声的直流源来提供偏置电流。针对1 × 64阵列的Nb₅N₆ microbolometer，相应设计了64阵列的可调的直流偏置电路(图2)，以达到灵活调节Nb₅N₆ microbolometer

Figure 1. Readout circuit architecture

图1. 读出电路架构

Figure 2. Array DC bias circuit

图2. 阵列直流偏置电路

最佳的直流工作点的目的。PNP三极管S8550正常工作时V_BE约为−0.7 V，调节滑动变阻器R₂的值，V_B变化范围为0~4.5 V。V_B为4.3 V时，V_E接近5 V，I_E为0 mA。V_B为3.8 V时，V_E为4.5 V，I_E为0.5 mA。利用三极管工作在放大区时I_E ≈ I_C的特性便能获得0~0.5 mA范围可调的偏置电流，在Nb₅N₆ microbolometer阻值变化时(1~3 kΩ)，此偏置电流几乎不变。功耗方面，相较于直接利用大电阻与Nb₅N₆ microbolometer串联，通过限流来提供偏置的方式 [6] ，此电路的功耗更低，在大阵列的情况下明显优于前者。

3.2. 第一级放大电路

为保证放大电路的低噪性能，需要选用低噪声运放搭建放大电路。除去外部噪声，运放的内部噪声主要表现为电压噪声，电流噪声，散粒噪声和随机噪声 [9] [10] 。其中折合到输入端的电压噪声和折合到输入端的电流噪声是放大器噪声的主要指标，如果两者不相关，运放的噪声可用下式表示：

(1)

其中：

V_noise表示折合到输入端的总体噪声。

v_n表示折合到输入端的电压噪声。

R_s表示源阻抗。

i_n表示折合到输入端的电流噪声。

V_ex表示外部噪声。

Nb₅N₆ microbolometer常温电阻约为1~3 kΩ，本文中使用的Nb₅N₆ microbolometer常温电阻约为1 kΩ，属高源阻抗器件，应选用电流噪声较低的运放以降低公式中R_s × i_n的值。同时，所选运放的电流噪声和电压噪声应与源阻抗满足：

(2)

综合考虑以上因素，选择了低噪声运放LT1028来搭建放大电路。LT1028具有优异的噪声性能，在1 kHz处的等效输入电压噪声为0.85 nV/Hz^1/2，等效输入电流噪声为1 pA/Hz^1/2，其主要参数如表1。v_n/i_n ≈ 0.85 kΩ，与Nb₅N₆ microbolometer常温阻抗相接近，电流噪声流经源阻抗后约为1 nV/Hz^1/2，相对较低。

第一级放大电路为以低噪声运放LT1028搭建的负反馈放大电路，电路细节如图3。考虑到电路处理的为1~10 kHz的方波信号，故设计电路为一低频放大电路。为了降低噪声，在电路输入端做了隔直和RC滤波，在反馈回路中加入了C_F以限制带宽。

由于源信号很微弱，源阻抗较大，放大电路实际放大的信号为经源阻抗和放大电路输入阻抗分压后的源信号。放大电路相对于源阻抗应具有较高的输入阻抗，才能保证放大电路获得尽可能大的信号输入，提高其输出信号的幅值。在此电路中输入阻抗主要由R₂决定，在信号频率为1 kHz时：

Table 1. LT1028 parameters

表1. LT1028参数

Figure 3. First stage amplifier circuit

图3. 第一级放大电路

(3)

由R_F1，R_F2和C_F构成的负反馈回路决定了电路的增益，1 kHz处电路电压增益：

(4)

由R_F1和C_F主要决定了电路的带宽，截止频率：

(5)

考虑到增益过低无法有效的提高信号的信噪比，增益过高则使得信号在后续的多路选择电路进行多路选通时易引起通道间的串扰，经过实验测试将第一级放大电路的增益设定为40 dB。由于源信号为方波信号，若带宽过窄则易引起失真，如果带宽设计的过宽则会引入过多的高频分量，使得引入的噪声增加。经过尝试，将带宽设定为30 kHz时可以得到较好的结果。

3.3. 多路选通和第二级放大电路

由第一级放大电路放大后的信号经64选1多路选通后再由第二级放大电路放大。多路选通电路用2块32选1的多路选通芯片ADG732搭建成。ADG732的常温导通电阻为4 Ω，通道切换时间为23 ns，其极低的导通电阻对信号的影响较小。

第二级放大电路如图4，其结构与第一级放大电路相似，区别在于增益为20 dB，输出端对放大后的信号加入了直流电平分量以匹配数据采集的要求和提高模数转换的精度。

4. 仿真与测量

对于设计的多通道电路，对其做了频响的仿真，并且与实际测量的结果进行了对比，结果如图5，

Figure 4. Second stage amplifier circuit

图4. 第二级放大电路

Figure 5. Frequency response curve

图5. 频响曲线

从图中仿真曲线看出，在1 kHz处的增益为60 dB左右，通频带宽约为30 kHz，都与设计值相近。图5中实际测量曲线上1 kHz处电路的实测增益约为59 dB，与仿真值基本吻合。带宽约为35 kHz，稍大于仿真值。图6为对所有通道的增益的实际测量结果，实测增益与仿真结果十分接近。从测量结果也可以看出，实际电路中各通道间的增益的一致性表现非常好，放大电路中采取的负反馈放大结构很好的保证了通道间增益的一致性，有效的降低了电路对检测结果引入的失真。

通过对比电路输入端接Nb₅N₆ microbolometer和电路输入端短路两种情况下的电路噪声来评价电路的噪声性能。将电路与阵列Nb₅N₆ microbolometer连接好后，选择了几个通道在输出端测量噪声功率谱密度，结果如图7(a)。选择的5个通道的噪声功率谱密度一致性很好，1/f噪声的拐点较低，高频部分水平曲线对应白噪声，噪底大约为8 uV/Hz^1/2，电路的增益为59 dB左右，所以折合到输入端的噪声密度约为8.6 nV/Hz^1/2。选取同样的通道，短接其输入端，然后在输出端测量噪声功率谱密度，结果如图7(b)。图中噪底大约为6 uV/Hz^1/2，折合到输入端约为6.4 nV/Hz^1/2。

Nb₅N₆ microbolometer常温电阻约为1 kΩ，理论本体热噪声约为4 nV/Hz^1/2。从上述测量结果计算Nb₅N₆ microbolometer热噪声得：

(6)

理论值较接近，且与电路本体噪声6.4 nV/Hz^1/2相近。表明电路噪声与Nb₅N₆ microbolometer本体热噪声相近，确保Nb₅N₆ microbolometer的灵敏度受电路影响很小。

5. 总结

为阵列Nb₅N₆ microbolometer设计且成功实现了多通道、低噪声的读出电路。电路具有良好的低噪性能，带Nb₅N₆ microbolometer时的噪声为8.6 nV/Hz^1/2，很好的保证了Nb₅N₆ microbolometer的高灵敏度特

Figure 6. Gain statistics

图6. 各通道增益统计

(a)(b)

Figure 7. (a) Noise spectral density with device; (b) Noise spectral density with input shorted

图7. (a) 带器件时的噪声谱密度；(b) 输入短路时的噪声谱密度

性，成功实现了1 × 64阵列Nb₅N₆ microbolometer的信号读出。电路结构可以作为更大规模阵列Nb₅N₆ microbolometer读出电路的参考。