海尔欣光电HPPD-M-B探测器性能介绍

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，从而将热噪声和背景辐射对输出信号的影响Z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℃ 至-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，波长覆盖也更宽

• 海尔欣针对红外探测应用自主研发，更适合系统集成，更及时完善的售后服务

4 探测器噪声测试

l 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：

功率dBm转volts：http://wera.cen.uni-hamburg.de/DBM.shtmlvolts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。

l 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

l 测试过程：

1.短路频谱分析仪的信号输入端口，为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SMA转BNC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）

l 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RMS volts：查表http://wera.cen.uni-hamburg.de/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。

l 附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适配器编号：01191027140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/√Hz

S0为输出端信号功率，即为S0=Si*N

N0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.（关于低噪声前置运放的噪声系数概念，请参考：http://www.ti.com.cn/cn/lit/an/zhca525/zhca525.pdf）

l 附2.与进口探测器比较

             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为某进口探测器，本底比HPPD-M-B低是因其放大倍数较低的缘故。

5 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。