孫敏，張倩索，張榮，徐熙平

(長(zhǎng)春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022)

熱探測(cè)器的響應(yīng)信號(hào)十分微弱，為了提高響應(yīng)率，熱釋電探測(cè)器一般都跟前置放大器連用，相關(guān)的信號(hào)讀出技術(shù)則成為熱成像技術(shù)的關(guān)鍵之一[1-3]。當(dāng)前多數(shù)熱釋電探測(cè)器的性能受到前置放大器的限制[4]。圖1為前置放大器的參考電路圖。由于熱釋電器件本身阻抗達(dá)1010~1012，屬于高阻抗，故要求具有同樣高輸入阻抗(Rg=1010以上)、低噪聲、高跨導(dǎo)(gm>2000)的場(chǎng)效應(yīng)管作為其前置放大器。引線要盡可能短，最好將場(chǎng)效應(yīng)管的柵極直接焊接到器件的一只引腳上，并同時(shí)裝入銅屏蔽殼內(nèi)。

1 熱釋電探測(cè)器對(duì)前置放大的要求

對(duì)一定調(diào)制頻率的光源，應(yīng)選用窄帶選頻放大器，以降低噪聲。低頻使用時(shí)，應(yīng)選用柵漏電流小的場(chǎng)效應(yīng)管作前置放大，高頻使用時(shí)，應(yīng)選用電壓噪聲低的場(chǎng)效應(yīng)管。

圖1 前置放大器的參考線路圖Fig.1 The reference preamplifier circuit diagram

當(dāng)熱釋電器件用于高頻激光脈沖測(cè)量時(shí)。應(yīng)接入低負(fù)載電阻 RL(RL≤Rg)。此時(shí)，探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間常數(shù)為RL和C的乘積，即 =RLC。其中C=Cx+CL，Cx為器件電容，CL為場(chǎng)效應(yīng)管的輸入電容。

同所有探測(cè)器一樣，熱釋電探測(cè)器的探測(cè)率同樣受其噪聲的限制[5]。熱釋電探測(cè)器必須考慮的基本噪聲源是電阻的熱噪聲、由元件熱力學(xué)特性決定的溫度或背景輻射噪聲以及放大器噪聲。放大器噪聲包括兩個(gè)部分，一是串聯(lián)于輸入端的電壓源，它在短路輸入時(shí)出現(xiàn)；二是并聯(lián)于輸入端的電流源，它在輸入端短路時(shí)消失。由于熱釋電器件的阻抗極高，故電源噪聲很重要，并在某些條件下是主要的噪聲，還可能有其他噪聲源。在工作于居里點(diǎn)附近的鐵電體中，鐵電體的轉(zhuǎn)換導(dǎo)致巴克豪森噪聲的出現(xiàn)，而且隨機(jī)的機(jī)械振動(dòng)可能引起壓電噪聲。這兩種噪聲原則上可以用適當(dāng)選擇材料和探測(cè)器結(jié)構(gòu)來(lái)消除，所以一般可不考慮。

2 前置放大器的低噪聲設(shè)計(jì)

熱釋電探測(cè)器的主要噪聲源包括器件本身的熱噪聲、與周圍環(huán)境熱交換的溫度噪聲以及前置放大器的電流噪聲和電壓噪聲[6]。設(shè)計(jì)低噪聲前置放大器和設(shè)計(jì)其他一般放大器存在根本的區(qū)別，那就是首先要使放大器的噪聲指標(biāo)得到滿足，所以要特別考慮會(huì)影響噪聲指標(biāo)的參數(shù)，主要需要注意的是器件的選取和低噪聲工作點(diǎn)的確立，并且要保證信號(hào)源阻抗與放大器間的噪聲匹配。其次為了滿足對(duì)放大器增益、頻響、輸入輸出阻抗等方面的要求，還要考慮電路的組態(tài)、級(jí)聯(lián)方式及負(fù)反饋等。另外，為了獲得良好的噪聲性能，通常還要采取多種措施來(lái)避免外界干擾。

2.1 噪聲匹配的方法研究

欲使前置放大器的噪聲系數(shù)最小化，就必須使噪聲匹配的條件得以滿足，具體做法是使信號(hào)源阻抗等于最佳源阻抗。如何實(shí)現(xiàn)噪聲的匹配，可從以下幾個(gè)方面研究：

(1)有源器件的選用

低噪聲前置放大器一般選用晶體管來(lái)構(gòu)成，因?yàn)榫w管具有較大的電流噪聲In和較小的最佳源電阻(100~1)。而對(duì)于像熱電阻這種源電阻較大的器件，則多采用電流噪聲In較小的場(chǎng)效應(yīng)管，并且場(chǎng)效應(yīng)管自身的最佳源電阻也較大(1k~10)，所以利用場(chǎng)效應(yīng)管比較利于電阻的匹配。

有源器件的最佳源電阻用Rsopt來(lái)表示，它是頻率的函數(shù)，上面給出的幾個(gè)最佳源電阻范圍對(duì)應(yīng)于頻率較低的器件，場(chǎng)效應(yīng)管的Rsopt會(huì)隨著頻率的升高而迅速減小，通常如果頻率為幾十兆赫茲，那么所對(duì)應(yīng)的結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的最佳源電阻僅幾千歐，因此就僅適用于源電阻較小的情況。與之相類似的還有 PNP晶體管，它的最佳源電阻和電壓噪聲都較小。而 NPN晶體管的最佳源電阻較大，因此適合于被放大器件信號(hào)源電阻較大的情況。

(2)采用輸入變壓器實(shí)現(xiàn)噪聲匹配

這種方法，主要用來(lái)解決信號(hào)源電阻Rs小于最佳源電阻Rsopt時(shí)的噪聲匹配問(wèn)題，例如熱電偶檢測(cè)器件的使用。在這種情況下，如變壓器初次級(jí)匝數(shù)比為1:n，則初級(jí)反射到次級(jí)電路的信號(hào)電壓、源噪聲、源電阻分別為nVs、nEns、n2Rs，在理想變壓器情況下，如圖2所示，經(jīng)變壓器變換后，次級(jí)上的信噪比沒(méi)有變化，仍為然后這時(shí)的等效源電阻卻增為，通過(guò)適當(dāng)選擇升壓比n，可以使得，從而實(shí)現(xiàn)了噪聲匹配。

圖2 輸入變壓器噪聲匹配Fig.2 Input noise matching transformer

(3)利用并聯(lián)放大器的方法實(shí)現(xiàn)噪聲匹配

設(shè)有N個(gè)相同的放大器并聯(lián)聯(lián)接，En、In分別為各放大器的噪聲模型，Zi為各放大器的輸入阻抗，Rsopt為單個(gè)放大器時(shí)的最佳源電阻，R'sopt為并聯(lián)放大器的最佳源電阻，若滿足條件：

則有

2.2 無(wú)源器件的選取

無(wú)源器件包括電阻、電容、耦合變壓器等。對(duì)于電阻來(lái)說(shuō)，一般不使用噪聲指數(shù)通常情況下高達(dá)十幾到幾十微伏/伏的碳質(zhì)或者碳膜電阻，而普遍都選用金屬膜電阻器和繞線電阻器，因其噪聲指數(shù)可做到小于0.2~1V/V。對(duì)于電容來(lái)說(shuō)，為了噪聲的降低則主要選用瓷介電容或者云母電容，因?yàn)樗鼈兊膿p耗角較小。而對(duì)于耦合變壓器，它的噪聲常來(lái)源于外界干擾和外加磁場(chǎng)作用下磁化的不連續(xù)性，因此，對(duì)耦合變壓器在靜電屏蔽和磁屏蔽方面的要求較高。

2.3 低噪聲放大器的屏蔽與接地

理想情況下，大地與所有彼此連接的接地點(diǎn)間的阻抗應(yīng)該為零，但實(shí)際上由于兩接地點(diǎn)間或接地點(diǎn)與大地間的阻抗是存在的，它們之間就會(huì)因?yàn)榈鼗芈分械碾娏鞫纬梢欢ǖ碾娢徊?，從而形成干擾源，這種接地點(diǎn)之間形成的干擾源，稱為差模源，差動(dòng)輸入的前置放大器無(wú)法將之克服。解決的辦法是用單點(diǎn)接地代替多點(diǎn)接地，如圖3所示，這樣就將地環(huán)流的干擾切斷，通常稱此為浮地技術(shù)。通常在浮地端再用一個(gè)1~10K的電阻或小電容接地，以加強(qiáng)對(duì)空間電磁場(chǎng)的屏蔽效果。

圖3 接地干擾的形成和抑制Fig.3 Formation and inhibition of ground disturbance

為更好地消除接地干擾和空間電磁場(chǎng)干擾，還經(jīng)常采用雙屏蔽技術(shù)。其中內(nèi)屏蔽采用浮空方式以消除接地干擾，外層屏蔽采用多點(diǎn)接地以消除電磁場(chǎng)干擾，如圖4所示。

圖4 抑制地環(huán)流的雙屏蔽結(jié)構(gòu)Fig.4 Inhibition of the double shield structure to circulation

2.4 低噪聲電路對(duì)電源電路的要求

低噪聲電路對(duì)電源電路的要求是具有高的穩(wěn)定度和良好的共模干擾電壓抑制能力。一般穩(wěn)壓電源的穩(wěn)定度為102~104，而低噪聲系統(tǒng)要求電壓穩(wěn)定度為105~106，因此必須采取相應(yīng)措施，提高穩(wěn)壓電源的穩(wěn)定度。

克服變壓器共模干擾電壓的辦法是在初次級(jí)間采用良好的靜電屏蔽盒單端接地，以避免共模干擾電壓形成循環(huán)通路。

3 寬帶低噪聲放大器ADS仿真與設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證上述前置放大器的低噪聲設(shè)計(jì)理論，利用微波設(shè)計(jì)領(lǐng)域的ADS軟件和S參數(shù)設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，性能指標(biāo)好的低噪聲前置放大器。

設(shè)計(jì)要求：工作頻帶：10~13 GHz，噪聲系數(shù)：FN<1.8dB，增益為25.4dB，增益平坦度為0.3 dB。根據(jù)要求，重點(diǎn)是保證在較寬帶寬內(nèi)噪聲系數(shù)低和增益平坦。

3.1 低噪聲設(shè)計(jì)

為保證上述設(shè)計(jì)指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，噪聲匹配方面選擇砷化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管(GaAsFET)，其優(yōu)點(diǎn)是頻率高、噪聲低，開(kāi)關(guān)速度快以及低溫性能好。并且根據(jù)NE3210S01的S參數(shù)模型，通過(guò)軟件仿真計(jì)算，發(fā)現(xiàn)該放大器在全頻帶內(nèi)并非絕對(duì)穩(wěn)定。在漏極串聯(lián)電阻能夠有效地改善穩(wěn)定性并且不會(huì)增加設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。設(shè)計(jì)中在第一級(jí)放大器漏極串聯(lián)1個(gè)10的電阻，使放大器在全頻帶內(nèi)保持絕對(duì)穩(wěn)定，而對(duì)增益的影響卻很小。

3.2 仿真與優(yōu)化

首先要在 ADS中定義介質(zhì)參數(shù)，本文選用Rogers4003介質(zhì)板，在進(jìn)行 ADS仿真時(shí)需要設(shè)置介電常數(shù) r=3.38和介質(zhì)板厚度h=0.5。其次要建立晶體管芯的模型，考慮過(guò)孔寄生效應(yīng)，在高頻段對(duì)電路的仿真效果影響較大，所以晶體管源級(jí)與地之間加入接地過(guò)孔。在微帶線連接處用階梯變換接頭或 T型接頭進(jìn)行連接，從而獲得更精確的仿真模型。在輸入和輸出的最前段，采用標(biāo)準(zhǔn)的50傳輸線與/4耦合微帶線相連。

優(yōu)化時(shí)可設(shè)定少量的可變參數(shù)，對(duì)放大器的各個(gè)指標(biāo)分步驟進(jìn)行優(yōu)化，先用100 200步的隨機(jī)法進(jìn)行優(yōu)化，后用20 30步的梯度法進(jìn)行優(yōu)化，一般可達(dá)最優(yōu)結(jié)果。

最后再整體仿真，看是否滿足到指標(biāo)要求。若優(yōu)化結(jié)果達(dá)不到要求，一般需要重設(shè)參數(shù)的優(yōu)化范圍、優(yōu)化目標(biāo)或考慮改變電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，然后重新進(jìn)行仿真優(yōu)化。一般微帶線線寬不應(yīng)該小于0.2 mm，保留小數(shù)點(diǎn)后2位即可。

經(jīng)過(guò)反復(fù)的優(yōu)化仿真，最終的參數(shù)滿足了所提出的設(shè)計(jì)指標(biāo)：在10～13 GHz頻帶內(nèi)，噪聲系數(shù)：小于1.8 dB，增益為25.4 dB±0.3 dB，輸出駐波小于1.6，輸入駐波小于2。ADS優(yōu)化后的各個(gè)參數(shù)指標(biāo)如圖5、圖6所示。

4 結(jié)論

參照熱釋電探測(cè)器不同的工作模式，可以選擇不同的前置放大器進(jìn)行信號(hào)的放大和讀取。在選擇前置放大器前應(yīng)該考慮以下幾個(gè)主要問(wèn)題：(1)為了保證探測(cè)器的性能完全由探測(cè)器材料性質(zhì)決定，考慮如何獲得最低的放大器噪聲；(2)為了保證當(dāng)熱成像陣列器件單元面積減小時(shí)，仍然可以獲得高性能和高集成度的信號(hào)讀出電路，在集成制造時(shí)可以考慮設(shè)置最小的布線面積；(3)如何保證在信號(hào)讀出速率高、陣列規(guī)模增大的情況下獲得高信噪比。

圖5 輸入端口駐波比仿真結(jié)果Fig.5 Simulation input VSWR

圖6 輸出端口駐波比仿真結(jié)果Fig.6 The simulation results output port VSWR

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