阅读说明：本技术 一种高线性度cmos太赫兹探测器前端电路 (High-linearity CMOS terahertz detector front-end circuit ) 是由 吴旭 郭晓燚 李连鸣 何龙 于 2020-07-16 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种高线性度CMOS太赫兹探测器前端电路,其中包括一个偏置电路、一个检测电路、一个电流镜电路和一个平方根运算电路。其中偏置电路的作用是为检测电路晶体管的栅极提供偏置电压；检测电路的作用是检测输入端太赫兹信号的幅度信息；电流镜电路的作用是将这个低频检波信号中的电流信息进行拷贝并送入平方根运算电路；平方根运算电路将拷贝得到的低频检波信号进行线性化处理,最终输出与斩波调制同频率的近似方波的输出信号。本发明使用栅极与天线相连的检测晶体管直接对太赫兹信号进行检测,并对检测信号进行线性化处理,首次实现了室温下太赫兹信号电压幅度的线性探测。(The invention discloses a front-end circuit of a high-linearity CMOS terahertz detector, which comprises a biasing circuit, a detection circuit, a current mirror circuit and a square root operation circuit. The bias circuit is used for providing bias voltage for the grid electrode of the transistor of the detection circuit; the detection circuit is used for detecting amplitude information of the terahertz signal at the input end; the current mirror circuit is used for copying the current information in the low-frequency detection signal and sending the current information to the square root operation circuit; the square root operation circuit carries out linearization processing on the copied low-frequency detection signal and finally outputs an output signal which is approximately square wave and has the same frequency as the chopping modulation. According to the invention, the detection transistor with the grid connected with the antenna is used for directly detecting the terahertz signal, and the detection signal is subjected to linearization processing, so that the linear detection of the voltage amplitude of the terahertz signal at room temperature is realized for the first time.)

一种高线性度CMOS太赫兹探测器前端电路

技术领域

本发明涉及太赫兹波探测技术，尤其涉及一种高线性度CMOS太赫兹探测器前端电路。

背景技术

太赫兹波是频率范围介于0.1THz到10THz内的电磁波，其波长对应于3毫米到30微米，其波谱位于毫米波和红外光之间。太赫兹信号在电磁波谱中的特殊位置令其拥有众多优良的特性，在安全检查、质量监控、医学成像、无损探测以及通信等领域都具有广阔的应用前景，因此有必要对太赫兹探测器技术进行深入研究。

目前，太赫兹探测器主要包括微测热辐射计、肖特基二极管、以及量子阱太赫兹探测器等。但是微测热辐射计需要工作在低温条件下，肖特基二极管工艺复杂，较难实现，而量子阱太赫兹探测器容易受到热扰动的干扰。因此，实现室温工作的高线性度、高敏感度的太赫兹探测器是未来重要的发展方向。

对于太赫兹探测器来讲，线性度是衡量其性能的重要标准。提高太赫兹探测器的线性度，可以提高太赫兹成像系统的分辨率，使得成像更加清晰。然而，传统的太赫兹探测器实现的探测输出信号均体现平方律特性，并非线性输出信号。因此传统太赫兹探测器成像存在成像模糊，分辨率低等问题。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种高线性度CMOS太赫兹探测器前端电路。

技术方案：本发明的高线性度CMOS太赫兹探测器前端电路，包括一个偏置电路、一个检测电路、一个电流镜电路和一个平方根运算电路。其中偏置电路的作用是为检测电路晶体管的栅极提供偏置电压；检测电路的作用是检测输入端太赫兹信号的幅度信息，具体为经过斩波调制的太赫兹信号被天线接收后被送到检测电路输入晶体管的栅极，该太赫兹信号经过检测电路的处理得到与斩波调制同频率的含有包络信息的低频检波信号，该低频检波信号包含了输入端太赫兹信号的幅度信息；电流镜电路的作用是将这个低频检波信号中的电流信息进行拷贝并送入平方根运算电路；平方根运算电路将拷贝得到的低频检波信号进行线性化处理，最终输出与斩波调制同频率的近似方波的输出信号。本发明使用栅极与天线相连的检测晶体管直接对太赫兹信号进行检测，并对检测信号进行线性化处理，首次实现了室温下太赫兹信号电压幅度的线性探测。

优选的，偏置电路包括晶体管M6和电阻R，晶体管M6的源极接地，栅极和漏极均连接第一偏置电压，电阻R的一端与检测电路的检测晶体管M1的栅极相连，另一端与第一偏置电压相连。

优选的，检测电路包括检测晶体管M1、N型共源共栅晶体管M2、P型共源共栅晶体管M3和电容C，其中，检测晶体管M1的栅极接偏置电路中电阻R的一端，并且与天线直接相连，经过斩波调制的太赫兹信号被天线接收并送到检测晶体管M1的栅极，检测晶体管M1的源极接地，漏极与N型共源共栅晶体管M2的源极相连，N型共源共栅晶体管M2的漏极与P型共源共栅晶体管M3的漏极相连，并通过电容C接地；N型共源共栅晶体管M2的栅极连接第二偏置电压，P型共源共栅晶体管M3的栅极连接第三偏置电压，P型共源共栅晶体管M3的源极连接电流镜电路的输入端。

优选的，电流镜电路包括第一PMOS管M4和第二PMOS管M5，第一PMOS管M4的栅极和第二PMOS管M5的栅极相连，第一PMOS管M4的源极和第二PMOS管M5的源极均与电源相连，第一PMOS管M4的漏极和栅极均与检测电路中P型共源共栅晶体管M3的源极相连，第二PMOS管M5的漏极通过第一电流源A1接地，并与平方根运算电路的输入端相连。

优选的，平方根运算电路包括但不限于BJT晶体管组成的跨导线性环。

优选的，平方根运算电路由四个BJT晶体管组成跨导线性环，实现电流量之间的非线性运算；具体包括第一BJT晶体管T1、第二BJT晶体管T2、第三BJT晶体管T3、第四BJT晶体管T4和第二电流源A2，第一BJT晶体管T1的发射极接地，集电极与第二BJT晶体管T2的基极相连，并作为输入端，接收输入电流信号i_X，基极与第二BJT晶体管T2的发射极相连；第二BJT晶体管T2的发射极接第二电流源A2的一端，基极与第三BJT晶体管T3的基极相连，集电极接VDD；第三BJT晶体管T3的集电极作为输出端，输出电流信号i_O，发射极与第四BJT晶体管T4的集电极和基极相连，第四BJT晶体管T4的发射极接地；第二电流源A2的一端接第二BJT晶体管T2的发射极，另一端接地。

其中，平方根运算电路的输入电流信号i_X和输出电流信号i_O之间具有如下关系：

其中，i_Y是第二电流源A2的电流，将i_Y设置为确定值，即可实现对电流i_X的平方根运算，计算结果即为输出电流信号i_O。

本发明所述的一种阵列式前端电路，包括按照具有行和列的矩阵形式设置的一个或多个像素，该阵列式前端电路还包括至少一个上述高线性度CMOS太赫兹探测器前端电路。

工作原理：经过斩波调制的太赫兹信号是探测器的输入信号，由天线接收传送到检测晶体管的栅极，工作在饱和区的检测晶体管直接对此太赫兹信号进行探测。经过N型共源共栅晶体管、P型共源共栅晶体管和一个电容的共同处理，实现了一个与斩波调制同频率的含有包络信息的低频检波信号。接着，电流镜电路对低频检波信号进行直流分量抵消，仅允许低频的检波电流信号通过，并将低频检波信号进行拷贝，送入平方根运算电路进行处理。平方根运算电路对电流镜电路拷贝得到的低频检波信号进行开平方处理使其线性化，最终得到与斩波调制同频率的近似方波的输出信号。平方根运算电路包括并不限于由四个BJT晶体管组成的跨导线性环，实现电流量之间的非线性运算。

有益效果：与现有技术相比，本发明使用栅极与天线相连的检测晶体管直接对太赫兹信号进行检测，并利用电流平方根运算电路对检测得到的低频检波信号进行线性化处理，以提高探测信号的线性度。此太赫兹探测器前端电路结构简单、易于和读出电路集成，首次实现了在室温下对太赫兹信号的线性探测。

附图说明

图1为本发明CMOS太赫兹探测器前端电路结构示意图；

图2为检测晶体管M1产生的对太赫兹波响应的电流曲线示意图；

图3为P型共源共栅晶体管M3源极产生的低频检波电流曲线示意图；

图4为本发明实施例中电流平方根运算电路结构示意图；

图5为平方率特性输出曲线和线性化处理之后的输出曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进一步详细阐述。

如图1所示，高线性度CMOS太赫兹探测器前端电路，包括一个偏置电路、一个检测电路、一个电流镜电路和一个平方根运算电路。其中偏置电路的作用是为检测电路晶体管的栅极提供偏置电压；检测电路的作用是检测输入端太赫兹信号的幅度信息，具体为经过斩波调制的太赫兹信号被天线接收后被送到检测电路输入晶体管的栅极，该太赫兹信号经过检测电路的处理得到与斩波调制同频率的含有包络信息的低频检波信号，该低频检波信号包含了输入端太赫兹信号的幅度信息；电流镜电路的作用是将这个低频检波信号中的电流信息进行拷贝并送入平方根运算电路；平方根运算电路将拷贝得到的低频检波信号进行线性化处理，最终输出与斩波调制同频率的近似方波的输出信号。本发明使用栅极与天线相连的检测晶体管直接对太赫兹信号进行检测，并对检测信号进行线性化处理，首次实现了室温下太赫兹信号电压幅度的线性探测。

偏置电路包括晶体管M6和电阻R，晶体管M6的源极接地，栅极和漏极均连接第一偏置电压，电阻R的一端与检测电路的检测晶体管M1的栅极相连，另一端与第一偏置电压相连。

检测电路包括检测晶体管M1、N型共源共栅晶体管M2、P型共源共栅晶体管M3和电容C。其中，检测晶体管M1的栅极接偏置电路中电阻R的一端，并且与天线直接相连，经过斩波调制的太赫兹信号被天线接收并送到检测晶体管M1的栅极，检测晶体管M1的源极接地，由于检测晶体管M1工作在饱和区，检测晶体管M1的漏极会随着栅极输入信号强弱的变化产生响应电流，如图2所示。由于MOS晶体管自身的平方律特性，该响应电流大小与输入太赫兹信号幅度成平方律特性。检测晶体管M1的漏极与N型共源共栅晶体管M2的源极相连，N型共源共栅晶体管M2的漏极与P型共源共栅晶体管M3的漏极相连，并通过电容C接地，滤掉高频信号；N型共源共栅晶体管M2的漏极和P型共源共栅晶体管M3的漏极之间会产生一个与斩波信号同周期的低频电压信号，同时P型共源共栅晶体管M3的源极输出一个与斩波信号同周期的低频电流信号，如图3所示。检测晶体管M1工作在饱和区直接对太赫兹信号进行探测，N型共源共栅晶体管M2、P型共源共栅晶体管M3和电容C实现检测信号由太赫兹频率到调制频率的检波，即检测电路完成对太赫兹信号的初步探测，实现高频信号到低频信号的检波；N型共源共栅晶体管M2的栅极连接第二偏置电压，P型共源共栅晶体管M3的栅极连接第三偏置电压。

电流镜电路进行直流分量抵消，仅允许低频的检波电流信号通过。电流镜电路包括第一PMOS晶体管M4和第二PMOS晶体管M5，第一PMOS晶体管M4的栅极和第二PMOS晶体管M5的栅极相连，第一PMOS晶体管M4的源极和第二PMOS晶体管M5的源极均与电源相连，第一PMOS晶体管M4的漏极和栅极均与P型共源共栅晶体管M3的源极相连，第二PMOS晶体管M5的漏极一路通过第一电流源A1接地，另一路与平方根运算电路的输入端相连；P型共源共栅晶体管M3的源极与第一PMOS管M4的漏极相连，将检测电路探测得到的低频电流信号送入电流镜电路，通过第二PMOS晶体管M5对低频电流信号按比例进行拷贝。为了保证只将低频的电流信号送入平方根电路进行处理，电流源A1用来抵消第二PMOS晶体管M5的工作点直流电流，最后将抵消后的与斩波信号同周期的低频电流信号送入平方根运算电路进行线性化处理。

平方根运算电路包括但不限于由BJT晶体管组成的跨导线性环，本实施方案给出一种平方根运算电路的结构，该电路对电流镜电路拷贝得到的低频检波信号进行开平方处理使其线性化。如图4所示，该平方根运算电路由四个BJT晶体管组成跨导线性环，实现电流量之间的非线性运算；具体包括第一BJT晶体管T1、第二BJT晶体管T2、第三BJT晶体管T3、第四BJT晶体管T4和第二电流源A2。第一BJT晶体管T1的发射极接地，集电极与第二BJT晶体管T2的基极相连，并作为输入端，接收输入电流信号i_X，基极与第二BJT晶体管T2的发射极相连；第二BJT晶体管T2的发射极接第二电流源A2的一端，基极与第三BJT晶体管T3的基极相连，集电极接VDD；第三BJT晶体管T3的集电极作为输出端，输出电流信号i_O，发射极与第四BJT晶体管T4的集电极和基极相连，第四BJT晶体管T4的发射极接地；第二电流源A2的一端接第二BJT晶体管T2的发射极，另一端接地。其中，平方根运算电路的输入电流信号i_X和输出电流信号i_O之间具有如下关系：

其中，i_Y是第二电流源A2的电流，将i_Y设置为确定值，即可实现对电流i_X的平方根运算，计算结果即为输出电流信号i_O。

通过一个系数可控的平方根运算电路，将具有平方律特性的探测电流信号，转化为一个与输入信号强度呈线性关系的低频电流信号，完成整个探测过程。最终的探测结果如图5所示，可见该探测器具有良好的线性度。

一种阵列式前端电路，该电路包括按照具有行和列的矩阵形式设置的一个或多个像素，该阵列式前端电路中还包括至少一个前述高线性度CMOS太赫兹探测器前端电路。