[发明专利]一种电流型太赫兹热释电探测器读出电路

说明书

技术领域

本发明属于太赫兹探测与成像领域，具体涉及一种电流型太赫兹热释电探测器读出电路。

背景技术

太赫兹（THz）波是频率在0.1THz到10THz范围内的电磁波，波长大概在30μm到3mm范围，介于微波与红外之间，是电磁波谱中一个很重要的波段。与其他波段电磁波相比，太赫兹辐射具有频带宽、脉宽窄、相干性好以及能量低等独特、优异的性能，这些特点非常适合探测成像，因此在探测器领域受到了人们的广泛关注和重视。相对于其他类型的太赫兹探测器，热释电太赫兹探测器具有小型化、宽光谱探测、低成本、响应快等优势，是目前研究较为广泛的一种THz探测技术。不过与用于红外成像的热释电探测器相比，太赫兹热释电探测器输出信号电流更为微弱，常常为pA量级甚至亚pA量级，因此，外界的干扰噪声极易将有用信号淹没。目前，太赫兹热释电探测器读出电路可以分为两大类，即电压模式和电流模式。其中电压模式借助结型场效应管（JFET）实现电流-电压转换，具有结构简单的特点，但缺点是其电响应时间由热释电晶片等效电容和栅极电阻决定，其一般在1秒数量级，这一方面使得探测器响应较慢，另一方面，1Hz以下的低频干扰（如外界随机振动干扰）难以消除。而电流模式采用CMOS运算放大器实现电流-电压转换，其探测器响应时间仅与反馈阻抗相关，其数量级一般为几十毫秒。此外，电流模式探测器工作频率一般为几十Hz以上甚至到数百Hz（由反馈阻抗决定），因此低频干扰大大降低。

电流模式读出电路具有响应时间快、低频干扰小的优点，因此受到研究者的极大关注。但是太赫兹热释电探测器输出信号的电流很微弱，读出电路仍需要精心设计。

发明内容

本发明研究设计了一种电流型太赫兹热释电探测器读出电路，以实现消除工频干扰及其他无用信号的干扰，从而输出纯净的信号电压，并且通过含滑动变阻器的电位抬升模块控制输出电压的抬升倍数，使得该电路输出的电压信号与后端数字采集电路所需电压相匹配。

本发明的技术方案如下：

一种电流型太赫兹热释电探测器读出电路，包括电流-电压转换器1、50Hz陷波电路2、一阶低通滤波放大电路3和电位抬升模块4，太赫兹热释电探测器输出的信号输入电流-电压转换器1，用于将电流信号转换为电压信号，电流-电压转换器输出的电压信号输入50Hz陷波电路2，用于消除工频干扰，50Hz陷波电路输出的信号输入一阶低通滤波放大电路3，用于进一步放大信号，一阶低通滤波放大电路输出的信号再输入电位抬升模块4，用于抬升电压使得电路输出的电压信号与后端数字采集电路所需电压相匹配。其中，电流-电压转换器1包括太赫兹热释电探测器信号输出端、运算放大器和反馈电路，太赫兹热释电探测器信号输出端与运算放大器的反相输入端连接，太赫兹热释电探测器的地端与运算放大器正相输入端连接，反馈电路连接在运算放大器的反相输入端和运算放大器的输出端之间，反馈电路由反馈电阻和反馈电容并联。

进一步地，电流-电压转换器中反馈电路与太赫兹热释电探测器输出端的连接处与运算放大器的反相输入端之间还串联有限流电阻。

进一步地，一阶低通滤波放大电路中，反馈电阻由固定电阻和滑动变阻器串联而成。

更进一步地，电位抬升模块中，与运算放大器正相输入端连接的分压电路中采用滑动变阻器和固定电阻串联，以控制电压信号的抬升倍数。

其中，电流-电压转换器1中的运算放大器为AD8627运算放大器；50Hz陷波电路2以F42N50模块为核心；一阶低通滤波放大电路3的截止频率为100Hz，满足太赫兹热释电探测器工作频段范围。

本发明的有益效果为：

1、本发明提供了一种电流型太赫兹热释电探测器读出电路，该电路适用于微弱电流信号的读取，并且实现了对信号进行消除工频干扰、滤掉不需要的信号和噪声、放大信号，并且控制输出电压信号的大小以实现输出的电压信号与后端数字采集电路所需电压相匹配。

2、本发明提供的读出电路中的电流-电压转换器中，反馈电路与太赫兹热释电探测器输出端的连接处与运算放大器的反相输入端之间还串联有限流电阻，可以有效防止因静电或插拔电源引起的瞬间高压放电对运算放大器的破坏作用。

3、本发明提供的读出电路中的50Hz陷波电路可以有效消除工频信号干扰，同时50Hz陷波电路的正负电源均接有大电容以滤除电源脉动干扰。50Hz陷波电路中采用的F42N50模块具有更高的精度、稳定性和更低的噪声。

4、本发明提供的读出电路中的一阶低通滤波放大电路的反馈电路中，反馈电阻由固定电阻和滑动变阻器串联而成，可以通过调节滑动变阻器实现放大倍数可调。