130nm CMOS中集成的840GHz Schottky探测器与锁相放大器实现高带宽THz成像

本文主要介绍了在130纳米bulk CMOS工艺中集成的一种高频率的0.84 THz图像像素设计。这个创新的解决方案结合了840 GHz Schottky二极管检测器与一个模拟锁相放大器（LIA），旨在提升THz成像系统的性能和实用性。 首先，集成的锁相放大器是一个关键组件，它具备显著的优势。它能够支持高达10 MHz的调制频率，提供了54分贝的增益，这使得信号处理能力强大，对于高速成像至关重要。动态范围达到42分贝，这意味着它能有效地处理信号强度的变化，确保图像的细节清晰。此外，其输入信噪比小于10 nV/√Hz，特别在100 kHz以上的高频段，这一特性保证了信号的纯净度，对于高质量的THz图像非常重要。 该锁相放大器在面积占用方面表现出极佳的效率，仅为0.17平方毫米，这在紧凑型系统设计中非常有利。功耗方面，从1.2伏电源仅消耗4.9毫安，体现出良好的能效。这种集成设计的一个重要应用是将探测器与芯片内的锁相放大器结合起来，形成具有实时成像能力的THz图像阵列。 传统的THz成像电路通常依赖于外部锁相放大器，这限制了系统的灵活性和帧率。而通过将锁相放大器集成到同一个芯片上，本研究实现了对THz信号的内部处理，从而可能实现更高的帧速率成像，这对于实时或快速扫描的THz成像系统来说是个重大突破。 此外，文章还提到了使用的Schottky二极管作为THz探测器，这是一种常用的THz频段元件，由于其宽带宽和高灵敏度，适用于此类高频应用。文章还提到关键词"quadrature"，可能是指采用四象限锁相放大器技术，这种技术能够同时处理两个相位差90度的信号，进一步提高成像的精度和稳定性。 这项工作展示了如何在现代CMOS工艺中实现高分辨率、高速和低噪声的0.84 THz成像像素，通过集成锁相放大器克服了传统系统的局限，为未来THz成像技术的发展奠定了坚实的基础。