Boston Electronics对高速IR探测器选型、TEC制冷红外探测器、前置放大器选型做出公式化性能预测

IR探测器和前置放大器在大多数科技科研领域有重要作用，选择一个性能能满足使用需求的只管重要，本文通过美国Boston Electronics（波士顿电子）发布的文章总结归纳，对于IR探测器性能预测与前置放大器性能预测，如何选型能够最大的贴近自己的期望使用水平

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Boston Electronics的产品线包括红外探测器，其敏感波长范围为 2 微米至 14 微米，具体取决于设备架构。

高速红外探测器选型/高速IR探测器选型

选型依据

1.波长或波长区域：IR探测器通常在波长短于13微米或更长的波长区域具有足够的灵敏度。某些型号在可见光和近红外区域也有一定的灵敏度，但一般建议仅在这种使用方式能够避免给系统增加复杂性（例如避免在已有该探测器的系统中再添加更适合该波长区域的硅或锗光电二极管）时才采用。

2.响应速度：如果系统需要监测快速变化的输入信号，如激光脉冲，则需要选择快速响应的探测器。Boston Electronics提供对11+微米波长的纳秒级响应探测器。如果系统是为了实现对某个过程的实时控制，那么可能只需要微秒或毫秒级响应的探测器。Boston Electronics的光伏探测器从直流到数十甚至数百兆赫兹的所有频率范围内都能提供出色的服务。光导型探测器（与所有光导体类似）虽然响应速度快，但在低频时会存在过量噪声（称为1/f或“闪烁”噪声），通常需要在合适的频率下进行斩波并同步解调，以实现较慢的响应。

3.灵敏度：灵敏度的最佳客观衡量标准是光电探测器及其后续电子设备在信息使用点产生的信噪比（S/N）。一般来说，S/N > 10通常就足够了，而S/N > 100通常足以消除人眼在观察示波器轨迹时感知到的噪声。随着测量精度要求的提高，需要更高的S/N。提高灵敏度通常会在成本、系统复杂性和外部条件（如LN2冷却需求）等方面带来更高的要求。D*是IR光电探测器的一个重要性能指标，用于比较不同类型的探测器，通常D*值越大表示性能越好。

4.其他特性：在选择探测器时，还需要考虑其他一些特性，例如功耗、外部条件（如LN2冷却所需）、尺寸、坚固性和价格等。

超快IR探测器性能预测

1.探测能力和NEP：系统设计者通常关注系统是否具有足够的灵敏度来检测感兴趣的光信号。探测器制造商通过发布品质因数“D*”来帮助确定这一点，D*的定义为：

D* ≡ sqrt(A * △f) / NEP

其中A是探测器面积，△f是信号带宽，NEP是产生信噪比为1（S/N = 1）的光输入功率的噪声等效功率。D*是比较不同设备的重要指标，S/N与sqrt(A)和sqrt(△f)成比例变化是红外光电探测器的基本特性。

2.活性区域：根据目标和探测器的尺寸关系，合理选择探测器尺寸，以拦截更多能量，同时避免浪费光子或探测器面积。

3.带宽：信号呈线性增加，噪声呈均方根增加，带宽与积分时间相关，公式为

△f = 1 / 2πτ

其中τ是系统的积分时间或“时间常数”。

4.信号：在所有量子光电探测器中，信号在低频时相对于频率恒定，但随着频率增加开始下降，信号在任意频率f的表达式为

Sf = Slow / sqrt(1 + (2πτ)²)

图1 ： 如上图所示，频率是Sf = Slow / sqrt(2)时的截止频率

5.噪声：光导器件如PbS、PbSe和大多数HgCdTe存在“闪烁”或1/f噪声，在低频时会降低信噪比和D*。预测光导器件低频性能时，可通过制造商提供的D*与频率的图形数据或1/f“拐角频率”来估计D*的退化程度。光伏探测器通常没有1/f噪声，D*在高频截止区域以下保持恒定。

图2 ： （a）光敏电阻噪声； （b）光电探测器噪声声谱

6.光谱响应校正：量子探测器的D*随波长λ变化，应根据制造商提供的数据进行校正，公式为

D*λ = D*peak * Rλ

7.上限：系统的动态范围通常由前置放大器的电气增益或示波器的垂直增益以及最大输出信号决定。对于光导器件和光伏探测器，在不同频率下计算NEP的公式不同。下图展示了系统在不同输入信号强度下的输出特性，当输入信号较小时，系统输出呈线性关系；当输入信号超过一定阈值时，系统输出进入饱和区域，呈现非线性关系。

图3 ：输入信号与输出信号的线性、饱和关系

前置放大器选型

前置放大器在检测系统中起着至关重要的作用，它能够放大探测器输出的微弱信号，提高信号的质量和稳定性。以下是一些关于选择前置放大器的重要考虑因素：

1.与探测器的匹配：不同类型的探测器（如光伏探测器和光导型探测器）需要与相应类型的前置放大器（如直流耦合前置放大器和交流耦合前置放大器）匹配，以确保最佳的性能。

2.频率响应：根据期望检测的信号频率范围，选择具有合适带宽的前置放大器。确保前置放大器的频率响应能够覆盖信号的频率范围，以避免信号失真。

3.增益：前置放大器的增益应根据信号的强度和后续处理设备的要求来选择。过高的增益可能会导致信号饱和，而过低的增益则可能无法满足信号放大的需求。

4.噪声性能：选择具有低噪声特性的前置放大器，以减少噪声对信号的干扰。噪声性能通常用噪声系数来表示，噪声系数越小，前置放大器的性能越好。

5.稳定性和可靠性：选择具有良好稳定性和可靠性的前置放大器，以确保长期稳定的工作。

6.电源要求：考虑前置放大器的电源要求，确保其与系统的电源供应兼容。

在实际应用中，需要根据具体的检测需求和系统配置来综合考虑这些因素，前置放大器原理和选择要点相对较为明确和简单。如果需要为前置放大器定制特定的带宽或特殊增益，请与本公司联系，我们将为您提供专业的建议和支持。

总之，Boston Electronics（波士顿电子）致力于提供优质的高速IR探测器选型/超快IR探测器选型/高速红外探测器选型/ TE冷却红外探测器选型/ TEC制冷红外探测器/超快IR探测器/超快红外探测器性能预测指南和前置放大器选型指南。通过综合考虑波长、响应速度、灵敏度等因素，以及进行性能预测和评估，希望能够帮助您选择到最适合您需求的产品，确保系统的性能和准确性。如果您在选择过程中有任何疑问，请随时与我们联系。