海爾欣光電HPPD-M-B探測器性能介紹

1. 概述

MCT 中紅外探測器是一種熱電冷卻光電導 HgCdTe(碲鎘汞，MCT)探測器， 這種材料對 2 到 12um 的中紅外光譜波段光波敏感。海爾欣的中紅外探測器可采用直流或交流耦合輸出，直流耦合方便用戶實時觀測探測器上的光強信號，繼而方便系統對光調試；交流耦合輸出可以讓用戶解調微弱的交流小信號，一定程度上避免過高的直流光信號將探測器飽和。探測器與熱電冷卻器（TEC）相連接， TEC 采用一個熱敏電阻反饋電路對探測器元件的溫度控制在-30℃甚至更低溫度，從而將熱噪聲和背景輻射對輸出信號的影響小化。為有效地減少電磁噪聲對檢測輸出信號的影響， 探測器外殼采用了鋁合金屏蔽殼體制作，同時起到散熱的作用。

2. 性能

•  半導體冷卻型碲鎘汞紅外光電探測器；
• 對2~12 um的中紅外光譜波段光波敏感；
• 內部一體化集成低噪聲前置運放+TEC控制單元；
• TEC熱電冷卻穩定 -80℃ 至-30℃ ，極大地降低了熱噪聲；

3. 優勢

• 前放+制冷控制一體化，噪聲能進一步降低，使用也更為便捷
• 性價比高于同款進口產品，波長覆蓋也更寬
• 海爾欣針對紅外探測應用自主研發，更適合系統集成，更及時專業的售后服務

4. 探測器噪聲測試

• 測試原理

待測噪聲A，頻譜分析儀基底噪聲為B，噪聲A 接入頻譜分析儀后，測得噪聲為頻譜分析儀總噪聲C（探測器放大后噪聲A和頻譜分析儀基底噪聲B）。它們之間關系如下：

A²+B²=C²

           圖.1   HPPD-M-B探測器噪聲測試系統

    由于HPPD-M-B探測器感光單元噪聲Ain信號較小，需要對噪聲信號Ain進行放大處理，圖.1 中間框HPPD-M-B專指探測器前置放大電路，實際探測器芯片已集成到HPPD-M-B探測器產品中。   

其中Ain為歸一化到探測器輸入端的電流噪聲密度（單位為pA/√Hz）,為我們的待求結果，A₀為Ain經探測器HPPD-M-B放大N倍后的信號，Rout為探測器的輸出阻抗（Ω），A為頻譜分析儀輸入端信號，Rin為頻譜分析儀的輸入阻抗（Ω），B為頻譜儀基底噪聲（與測量系統基底噪聲相同），C為頻譜分析儀的頻率掃描結果。可以得到系統中存在如下關系：

 A0=Ain*N

A=A0*Rin/(Rin+Rout)

 A2+B2=C2

注：

轉噪聲密度：噪聲密度（nV/√Hz）= RMS volts/√RBW故通過頻率分析儀測試探測器輸出端噪聲，便可容易的推算出歸一化到探測器輸入端的電流噪聲密度。

• 測試系統參數說明：

放大倍數N = 15000V/A，探測器輸出阻抗Rout =16Ω，頻譜分析儀輸入阻抗Rin = 50Ω

頻率掃描范圍0-100 kHz，分辨率帶寬RBW = 10Hz

• 測試過程：

1.短路頻譜分析儀的信號輸入端口，為頻譜儀噪聲基底的頻率掃描結果得到系統基底噪聲B₁；

2.按圖1連接測試系統，將配套SMA轉BNC同軸線纜一端連接到探測器的SMA輸出端口，另一端連接到頻譜分析儀（型號N9320B）的信號輸入端口；得到未供電時的測試系統頻率掃描結果，為測試系統的噪聲基底B,可以發現測試系統的噪聲基底B與頻譜儀輸入端短路時噪聲B₁相同，如下圖2中的曲線V1（該曲線為系統的基底噪聲B）。

3.系統供電，將配套+5V電源適配器一端插入探測器電源供電口，另一端插入市電插座，撥動電源開關上電，此時風扇將正常工作，探測器開始溫度調節，熱機約10分鐘后，溫控指示燈亮，溫度穩定于預設值。此時，可得到供電狀態下，測試系統的頻率掃描結果，如下圖2中的曲線V2（該曲線為系統的總噪聲C）。

注意：測試過程中，探測器感光單元一直為遮光狀態。

圖2.頻率掃描結果（0-100kHz）

• 計算結果

讀圖：100kHz時，頻譜儀基底B =-120dBm，掃頻結果C = -117dBm，兩者RMS均為10Hz。

功率dBm轉DBM.shtml-120dBm對應RMS volts為223.607nV；-117dBm對應RMS volts為315.853nV。

根據RBM volts轉噪聲密度公式：噪聲密度（nV/√Hz）= RMS volts/√RBW計算噪聲密度B 為70.71nV/√Hz ，噪聲密度C 為99.88nV/√Hz。

根據計算公式：A2+B2=C2可以等到A=70.54nV/√Hz

根據計算公式 ：A=A0*Rin/(Rin+Rout)；Rin=50?、Rout=16? 可以得到A0=93.11nV/√Hz 。

通過公式：A0=Ain*N其中N為放大倍數15000V/A 可以得到Ain=6.2pA/√Hz。

附1.探測器芯片的電流噪聲密度

HPPD-M-B編號：96610，芯片電流噪聲 4.7 pA/√Hz5V測試結果表明，歸一化到探測器輸入端的電流噪聲密度Ain為6.2pA/√Hz，則海爾欣的前置低噪聲運放的噪聲系數僅為2.4dB。計算方法為：信噪比：信號功率/噪聲功率（下述計算提到的功率都以歸一化噪聲電流同比表示）噪聲系數NF = 輸入端信噪比/輸出端信噪比 噪聲系數可由下列式表示：

Si為輸入信號功率，即為光電流信號；Ni 為輸入噪聲功率，即為芯片電流噪聲 4.7 pA/√HzS0為輸出端信號功率，即為S0=Si*NN0為輸出噪聲功率，即為Ain*N通過上計算可以得到噪聲系數NF=Ain/Ni根據上面計算結果可知Ain=6.2 pA/√Hz，Ni=4.7 pA/√Hz則噪聲系數NF=1.32，根據噪聲系數轉換噪聲dB公式：dB=20lgNF=2.4可以得到噪聲系數為2.4 dB.

• 附2.與進口探測器比較

             圖.3  VIGO探測器與HPPD-M-B噪聲比較

V3為HPPD-M-B ,適配器供電(放大15000倍)

V2為某進口探測器，本底比HPPD-M-B低是因其放大倍數較低的緣故。

結論，綜合來看，海爾欣的HPPD-M-B型中紅外探測器噪聲與進口探測器處于同一水平，從功能上來講沒有太大差別。再結合其運放與TEC制冷高度集成的設計，HPPD-M-B型探測器極大地方便了用戶的使用和系統集成，是一款小巧、出色的制冷型單像素紅外探測器。