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海尔欣光电HPPD-M-B探测器性能介绍

点击次数:301 发布时间:2020-06-04

1. 概述

MCT 中红外探测器是一种热电冷却光电导 HgCdTe(碲镉汞,MCT)探测器, 这种材料对 2 到 12um 的中红外光谱波段光波敏感。海尔欣的中红外探测器可采用直流或交流耦合输出,直流耦合方便用户实时观测探测器上的光强信号,继而方便系统对光调试;交流耦合输出可以让用户解调微弱的交流小信号,一定程度上避免过高的直流光信号将探测器饱和。探测器与热电冷却器(TEC)相连接, TEC 采用一个热敏电阻反馈电路对探测器元件的温度控制在-30℃甚至更低温度,从而将噪声和背景辐射对输出信号的影响小化。为有效地减少电磁噪声对检测输出信号的影响, 探测器外壳采用了铝合金屏蔽壳体制作,同时起到散热的作用。

2. 性能

  半导体冷却型碲镉汞红外光电探测器;
• 对2~12 um的中红外光谱波段光波敏感;
• 内部一体化集成低噪声前置运放+TEC控制单元;
• TEC热电冷却稳定 -80℃ -30℃ ,极大地降低了热噪声;

3. 优势

  • 前放+制冷控制一体化,噪声能进一步降低,使用也更为便捷
  • 性价比高于同款进口产品,波长覆盖更宽
  • 海尔欣针对红外探测应用自主研发,更适合系统集成,更及时专业的售后服务

 

4. 探测器噪声测试

  • 测试原理

待测噪声A,频谱分析仪基底噪声为B,噪声A 接入频谱分析仪后,测得噪声为频谱分析仪总噪声C(探测器放大后噪声A和频谱分析仪基底噪声B)。它们之间关系如下:

A2+B2=C2

 

 

           图.1   HPPD-M-B探测器噪声测试系统

    由于HPPD-M-B探测器感光单元噪声Ain信号较小,需要对噪声信号Ain进行放大处理,图.1 中间框HPPD-M-B专指探测器前置放大电路,实际探测器芯片已集成到HPPD-M-B探测器产品中。   

其中Ain为归一化到探测器输入端的电流噪声密度(单位为pA/√Hz),为我们的待求结果,A0为Ain经探测器HPPD-M-B放大N倍后的信号,Rout为探测器的输出阻抗(Ω),A为频谱分析仪输入端信号,Rin为频谱分析仪的输入阻抗(Ω),B为频谱仪基底噪声(与测量系统基底噪声相同),C为频谱分析仪的频率扫描结果。可以得到系统中存在如下关系:

 

 A0=Ain*N

A=A0*Rin/(Rin+Rout)

 A2+B2=C2

 

注:

转噪声密度:噪声密度(nV/√Hz)= RMS volts/√RBW故通过频率分析仪测试探测器输出端噪声,便可容易的推算出归一化到探测器输入端的电流噪声密度。

  • 测试系统参数说明:

放大倍数N = 15000V/A,探测器输出阻抗Rout =16Ω,频谱分析仪输入阻抗Rin = 50Ω

频率扫描范围0-100 kHz,分辨率带宽RBW = 10Hz

  • 测试过程

1.短路频谱分析仪的信号输入端口,频谱仪噪声基底的频率扫描结果得到系统基底噪声B1

2.按图1连接测试系统,将配套SMABNC同轴线缆一端连接到探测器的SMA输出端口,另一端连接到频谱分析仪(型号N9320B)的信号输入端口;得到未供电时的测试系统频率扫描结果,为测试系统的噪声基底B,可以发现测试系统的噪声基底B与频谱仪输入端短路时噪声B1相同,如下图2中的曲线V1(该曲线为系统的基底噪声B)

3.系统供电,将配套+5V电源适配器一端插入探测器电源供电口,另一端插入市电插座,拨动电源开关上电,此时风扇将正常工作,探测器开始温度调节,热机约10分钟后,温控指示灯亮,温度稳定于预设值。此时,可得到供电状态下,测试系统的频率扫描结果,如下图2中的曲线V2(该曲线为系统的总噪声C)

注意:测试过程中,探测器感光单元一直为遮光状态。

 

  

图2.频率扫描结果(0-100kHz)

  • 计算结果

读图:100kHz时,频谱仪基底B =-120dBm,扫频结果C = -117dBm,两者RMS均为10Hz。

功率dBm转DBM.shtml-120dBm对应RMS volts为223.607nV;-117dBm对应RMS volts为315.853nV。

根据RBM volts转噪声密度公式:噪声密度(nV/√Hz)= RMS volts/√RBW计算噪声密度B 为70.71nV/√Hz ,噪声密度C 为99.88nV/√Hz。

根据计算公式:A2+B2=C2可以等到A=70.54nV/√Hz

根据计算公式 :A=A0*Rin/(Rin+Rout);Rin=50Ω、Rout=16Ω 可以得到A0=93.11nV/√Hz 。

通过公式:A0=Ain*N其中N为放大倍数15000V/A 可以得到Ain=6.2pA/√Hz。

1.探测器芯片的电流噪声密度

HPPD-M-B编号:96610,芯片电流噪声 4.7 pA/√Hz5V测试结果表明,归一化到探测器输入端的电流噪声密度Ain为6.2pA/√Hz,则海尔欣的前置低噪声运放的噪声系数仅为2.4dB。计算方法为:信噪比:信号功率/噪声功率(下述计算提到的功率都以归一化噪声电流同比表示)噪声系数NF = 输入端信噪比/输出端信噪比 噪声系数可由下列式表示:

 

                    

Si为输入信号功率,即为光电流信号;Ni 为输入噪声功率,即为芯片电流噪声 4.7 pA/√HzS0为输出端信号功率,即为S0=Si*NN0为输出噪声功率,即为Ain*N通过上计算可以得到噪声系数NF=Ain/Ni根据上面计算结果可知Ain=6.2 pA/√Hz,Ni=4.7 pA/√Hz则噪声系数NF=1.32,根据噪声系数转换噪声dB公式:dB=20lgNF=2.4可以得到噪声系数为2.4 dB.

 

  • 2.进口探测器比较

     

             图.3  VIGO探测器与HPPD-M-B噪声比较

V3为HPPD-M-B ,适配器供电(放大15000倍)

V2某进口探测器,本底比HPPD-M-B低是因其放大倍数较低的缘故。

 

结论,综合来看,海尔欣的HPPD-M-B型中红外探测器噪声与进口探测器处于同一水平,从功能上来讲没有太大差别。再结合其运放与TEC制冷高度集成的设计,HPPD-M-B型探测器极大地方便了用户的使用和系统集成,是一款小巧、出色的制冷型单像素红外探测器。

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