CN118573127B - 一种优化mct探测器性能的前置放大器及其放大方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的一种优化MCT探测器性能的低温低噪声前置放大器及器放大方法，包括电源电路和信号放大电路，所述电源电路中包括第一NMOS晶体管M3作为开关元件，其栅极接收来自低噪声偏置电压Vbias的信号，通过调控可编程偏置电阻串Rbias阻值调节NMOS晶体管电流，构成偏置电流源IBIAS提供稳定偏置电流；所述信号放大电路包括动态电阻Rd、调节式共源共栅结构RGC、可编程旁路电阻串Rbypa、可编程增益电阻串Ramp以及串入并出移位寄存器SIPOSR。本发明的一种优化MCT探测器性能的低温低噪声前置放大器及器放大方法实现了基于全CMOS电路的低温低噪声、低输入阻抗的前置放大器。
Description
技术领域
本发明属于红外探测器前端读出领域，具体涉及一种优化MCT探测器性能的前置放大器及其放大方法。
背景技术
光电导型MCT红外探测器需要在两侧施加恒定偏压，随着光照强弱变化而产生约10-2-10-6的阻值变化，进而产生最小为nA量级的交流电流信号，频率范围约在1k-100kHz之间。前置放大器通过电流-电压转换，经编码控制产生可调增益，实现对微弱信号的放大和转换。近年来，随着整机小型化趋势，装载MCT红外探测器的低温杜瓦需要与制冷机集成。由于制冷机有很强的电磁干扰，但探测器信号非常微弱，模拟传输线抗干扰能力有限。因此需要引入前置放大器以提升探测器抗干扰能力和灵敏度。
然而，设计该前置放大器会面对以下难点：（1）由于光电导型MCT器件阻值较小，约为20-500Ω。而MOS电路的输入阻抗一般为百MΩ量级，因此难以与MCT器件进行阻抗匹配。（2）电路需要集成在低温杜瓦内，工作温度在77K下。而一般电路元器件设计时不需考虑深低温应用，因此必须采用专用集成电路ASIC设计方法针对深低温定向开发电路。（3）由于探测器阻值变化横跨多个数量级，存在阻值变化高达10-2的情况。因此信号放大倍数不能设置太高，仅需50-100倍即可。增益倍数的限制对前置放大器的噪声性能提出了高要求，需要减少该放大电路的等效输入噪声，以减少最终放大后信号内的噪声比例。而MOS管本身噪声高于JFET、BJT等晶体管，因此需要采用低噪声设计方法进行研发。
基于以上问题，亟需对基于MCT探测器的前置放大器进行改进。
发明内容
本发明的第一个目的在于，针对现有技术中的问题，提供一种优化MCT探测器性能的低温低噪声前置放大器。
为此，本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
一种优化MCT探测器性能的低温低噪声前置放大器，包括：偏置单元、隔直及增益单元、输出缓冲单元和数值控制单元；
所述偏置单元通过外置低噪声电压调控支路电流，支路电流调控偏置管的栅源电压差。该恒定电压差施加在外置的MCT光电导型探测器两端，可使光电导型探测器随光强变化产生的电阻变化转换为交直流混合的电流信号；
所述隔直及增益单元首先通过隔直部分将偏置单元产生的电流信号中的交流量提取出来，得到原始信号后再通过增益部分得到放大后的信号；
所述输出缓冲单元将隔直及增益单元产生的放大后信号进行缓冲输出，输出最终信号；
所述数值控制单元通过外部仪器按时序输入二进制码值对各单元内的可编程电阻串的阻值进行调节，使得电路工作在正确工作点上，并控制电路中信号增益倍数等。
在采用上述技术方案的同时，该方案中的各单元的组成部分为：
所述MCT探测器为外置光电导型探测器，可以检测红外辐射；
所述偏置单元中包括：第一PMOS管M1、第一NMOS晶体管M3和可编程偏置电阻串Rbias；
所述偏置单元中第一NMOS晶体管M3的栅极接收来自低噪声源表的电压信号Vbias，通过与可编程偏置电阻串Rbias阻值组合调节支路电流，构成偏置电流源IBIAS提供稳定偏置电流调制。第一PMOS晶体管M1的栅源电压差在稳定的偏置电流下可视为恒定值，该电压差稳定施加在外置光电导型探测器两端；
所述隔直及增益单元包括：第二PMOS晶体管M2、可编程旁路电阻串Rbypa和可编程增益电阻串Ramp；
所述隔直及增益单元中的可编程旁路电阻串Rbypa与外置光电导型探测器形成直流通路，隔绝了直流电流流入增益部分。第二PMOS晶体管M2将交流信号传递到可编程增益电阻串Ramp，使得信号得到放大并转为电压值；
所述输出缓冲单元为由五个晶体管组成的运算放大器构成；
所述数值控制单元由串入并出移位寄存器SIPOSR构成，内部包括反相器、D触发器及D寄存器等电路模块组成；
所述串入并出移位寄存器SIPOSR主要为了通过外部编码控制内部可编程电阻串的阻值和温度系数。
在采用上述技术方案的同时，本发明还可以采用或者组合采用如下技术方案：
作为本发明的优选技术方案：所述可编程偏置电阻串Rbias、可编程增益电阻串Ramp、可编程旁路电阻串Rbypa，每个电阻串由两列或多列电阻组成，至少具有一列正温度系数、一列负温度系数，串入并出移位寄存器SIPOSR向每个电阻串输入编程码值，通过调控其电阻阵列调整各电阻串总的电阻值及其温度特性，
其中，可编程旁路电阻串Rbypa的总阻值和Rd保持的比例关系，以保证Vref工作点的稳定，
基于RGC结构的放大电路的输入阻抗，当把偏置电流源阻值等效为Rbias_total时为：
其中gm1和gm2为第一、第二PMOS管M1和M2的跨导以满足了与MCT探测器的阻抗匹配；
所述增益支路的Rd上的电流信号经过隔直支路后均为Rd阻值变化引起的交流小信号△I，通过导通的第二PMOS管M2传递，在第二PMOS管和Ramp连接处采集到Ramp阻值与交流小信号△I相乘后获得的△V，实现了放大功能，该电路的增益Av即可为Ramp与Rd之间阻值的比值为：
。
作为本发明的优选技术方案：隔直支路的可编程旁路电阻串Rbypa总温度系数与总阻值可调，总温度系数为：
其中为负温度系数电阻的温度系数，为正温度系数电阻的温度系数，RP为Rbypa中正温度系数电阻的总阻值，RM’为负温度系数电阻的总阻值，
其总阻值为：
通过控制支路的并行信号Rbypa码值变化实现电阻串总阻值和温度系数的调控，实现电路工作的同时减小电路温漂带来的干扰。
作为本发明的优选技术方案：所述可编程偏置电阻串Rbias、可编程增益电阻串Ramp、可编程旁路电阻串Rbypa，采用正负温度系数的电阻Rp、Rm和传输门开关SW结合的方式构成，其中所述可编程偏置电阻串Rbias采用正负温度系数电阻先并联成一个电阻单元，再串联成可编程电阻的结构，可编程增益电阻串Ramp采用正、负温度系数电阻分别组合成可编程电阻RP_A和RP_B，再串联的结构，可编程旁路电阻串Rbypa先分别组成RP_B、RM_B和RMS_B，由RM_B和RMS_B先串联为负温度系数电阻串再和RP_B并联的结构。
作为本发明的优选技术方案：所述可编程偏置电阻串Rbias为3位可编程电阻串，
所述3位可编程电阻串内部连接方式为基础电阻R0一端接输入IN，一端接电阻R1及开关SW0；后6个电阻R1~R6连接方式为电阻Ri一端接电阻Ri-1及开关SWi-1，一端接电阻Ri+1及开关SWi；电阻R7一端接电阻R6及开关SW6，一端接开关SW7，全部开关SW0~SW7的未连接电阻一侧相互连接且连接到输出端OUT，
所述可编程增益电阻串Ramp和可编程旁路电阻串Rbypa中，电阻串RP_A、RM_A、RM_B均为结构相同的6位可编程电阻串；电阻串RP_B、RMS_B均为5位可编程电阻串；
所述电阻串RP_A、RM_A、RM_B采用的6位可编程电阻串结构分为高3位和低3位，高3位的输出端OUTH和低3位的输入端INL相连；高3位的输入端INH为6位电阻串的输入端IN，低3位的输出端OUTL为该6位电阻串的OUT，
其中高3位的结构与可编程偏置电阻串Rbias的3位可编程电阻串一致；电阻R0~R7对应为RH0~RH7，开关SWH0~SWH7对应为开关SW0~SW7，输入端、输出端为INH、OUTH。
作为本发明的优选技术方案：低3位结构与Rbias的3位可编程电阻串也基本相同，唯一区别是没有对应基础电阻R0的RL0；输入端INL直接连接开关SWL0和电阻RL1，其余电阻RL1~RL7与电阻R1~R7对应，开关SWL0~SWL7对应开关SW0~SW7，输出端对应的为OUTL，
所述电阻串RP_B采用的5位可编程电阻串分为高3位和低2位，高3位的输出端OUTH和低2位的输入端INL相连；高3位的输入端INH为5位电阻串的输入端IN，低2位的输出端OUTL为该5位电阻串的OUT，
或，其中高3位采用与前述6位可编程电阻串一致的高3位结构；低2位也遵循与前述低3位类似的结构，无基础电阻RL0所以INL直接连接SWL0和RL1，RL1另一端连接SWL1和RL2，RL2另一端连接SWL2和RL3，RL3另一端连接SWL3，所有SWL0~SWL3不接电阻端相连且连到输出端OUTL，
所述电阻串RMS_B在RP_B的5位可编程电阻串基础上在输入端IN和输出端OUT之间又连接了一个并联电阻R0，
所述串入并出移位寄存器SIPOSR外接数据端口DATA_R、时钟CP、置位端CDN和使能端EN，第一级D触发器一共31个，第1个D触发器输入为DATA_R的串行输入码流，此后前级第i个Dffi触发器输出Qi连接后级第i+1个D触发器输入Dffi+1和第二级的第i个D锁存器的Dlatchi，第31个D触发器的输出Q31连接第31个D锁存器Dlatch31；第一级D触发器接时钟信号CP，第二级D锁存器接置位端CDN和使能端EN，并行输出Rbias<2:0>、Ramp<11:0>、Rbypa<15:0>到三个可编程电阻串当中，可编程电阻串的开断均由上述31位数字信号决定。
作为本发明的优选技术方案：所述串入并出移位寄存器SIPOSR由D触发器、带复位或置位功能的D锁存器和反相器构成，采用两级结构，第一级D触发器将31位串行输入码转换为并行输出码，第二级D锁存器控制前级输入状态何时传递下去。
作为本发明的优选技术方案：第一PMOS管M1源极接电源VDD，栅极接电压点Vref同时连接Rd、可编程旁路电阻串Rbypa和M2源极；漏极接第二PMOS管M2栅极及第一NMOS管M3的漏极；
所述第二PMOS管M2源极接电压点Vref；栅极接第一PMOS管M1漏极和第一NMOS管漏极；漏极接可编程增益电阻串Ramp和输出缓冲级BUFFER；
所述第一NMOS管M3源极接可编程偏置电阻串Rbias；栅极接外置偏压Vbias；漏极接第一PMOS管M1漏极和第二PMOS管M2栅极；
所述外置光电导型MCT红外探测器Rd一端接电源VDD，一端接电压点Vref；
所述可编程偏置电阻串Rbias一端接第一NMOS管M3源极，一端接GND；可编程增益电阻串Ramp一端接第二PMOS管M2漏极，一端接GND；可编程偏置电阻串Rbias一端接电压点Vref，一端接GND。
作为本发明的优选技术方案：设有输出支路，所述输出支路的输出缓冲级BUFFER将获得的小信号△V输出，
所述输出缓冲级BUFFER由运算放大器OTA构成，由于缓冲输出级的存在，提高了电路的驱动能力；
所述运算放大器OTA同相端接M2漏极及可编程增益电阻串Ramp，反相端与输出相连，运算放大器为五管运算放大器结构连接方式，分为第三PMOS管M4、第四PMOS管M5、第五PMOS管M6、第二NMOS管M7、第三NMOS管M8，其中第三PMOS管M4源极接VDD；栅极接外置偏压VB；漏极接第四PMOS管M5和第五PMOS管M6的源极，第四PMOS管M5和第五PMOS管M6的栅极分别做运算放大器的同相和反相输入端；第四PMOS管M5的漏极连接第二NMOS管M7的漏极，并与第二NMOS管M7、第三NMOS管M8的栅极相连；第三NMOS管M8的漏极连接第四PMOS管M5的漏极且作为运算放大器的输出端；第二NMOS管M7、第三NMOS管M8的源极接GND。
本发明的第二个目的在于，针对现有技术中的问题，提供一种优化MCT探测器性能的低温低噪声前置放大方法。
为此，本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
一种优化MCT探测器性能的低温低噪声前置放大器的放大方法，其特征在于：包括以下步骤：第一PMOS管M1与偏置电流源IBIAS和外接低噪声偏置电压Vbias结合，通过可编程偏置电阻串Rbias生成稳定的电流，确保第一PMOS管工作在最佳的偏置点，提供稳定偏置电压，
通过可编程旁路电阻串Rbypa与外置光电导型MCT红外探测器Rd，实现交流信号的有效耦合和直流信号的阻隔，得到可供后续电路放大处理的交流信号；
第二PMOS管M2与可编程增益电阻串Ramp的组合，以使得交流信号△I被转换为较大的电压变化△V，实现增益可调的信号放大，实现增益可调的放大；
输出缓冲和信号驱动：输出缓冲级BUFFER实现了输出阻抗匹配，并增强了电路的负载驱动能力，确保信号在传输过程中完整性，实现有效信号驱动。
与现有技术相比，本发明的一种优化MCT探测器性能的低温低噪声前置放大器及其放大方法，通过调节式共源共栅RGC结构为主体进行优化的放大电路结构，通过传统RGC结构与电流源Ibias的组合，大幅降低电路的输入阻抗，因此解决了与外接器件的阻抗匹配问题；利用可编程旁路电阻串Rbypa和动态电阻Rd构成隔直支路，对光电导型器件输出信号交直流分离，并使用低温漂可编程电阻串对交流信号直接放大获得增益，避免了采用传统运放反馈放大电路时MOS管带来的噪声；利用正负温度系数的电阻串联实现温度系数和阻值双可调的可编程电阻串，实现广泛的温度范围内面对温漂的电路稳定性；通过低温SPICE模型设计解决了低温下电路工作能力的问题，实现了基于全CMOS电路的低温低噪声、低输入阻抗的前置放大器。
本发明的一种优化MCT探测器性能的低温低噪声前置放大器及其放大方法，采用了全新的无运放结构和放大方法，基于传统RGC结构双晶体管对管连接的形式进行结构创新，输入阻抗被调制到与MCT光电导型探测器阻抗匹配，通过对关键晶体管1/f噪声定向降低，将整体噪声降低到极低，提供了一种在低温下有效工作，适用于优化MCT探测器性能的低温、低频放大电路及方法，利用成熟的CMOS工艺制造，适于量产机推广应用。
附图说明
图1是本发明的优化MCT探测器性能的低温低噪声前置放大器的电路结构图；
图2是本发明实施中的可编程偏置电阻串Rbias的内部结构示意图；
图3是本发明实施中的可编程增益电阻串Ramp的内部结构示意图；
图4是本发明实施中的可编程旁路电阻串Rbypa的内部结构示意图；
图5是本发明实施中电阻串RP_A、RM_A、RM_B采用的6位可编程电阻串的实现方案；
图6是本发明实施中电阻串RP_B采用的5位可编程电阻串的实现方案；
图7是本发明实施中电阻串RM_B采用的5位可编程电阻串的实现方案；
图8为采用本发明的优化MCT探测器性能的低温低噪声前置放大器的放大电路的噪声谱密度图；
图9为本发明的优化MCT探测器性能的低温低噪声前置放大器应用于FTIR中-3db频率响应图；
图10为本发明的优化MCT探测器性能的低温低噪声前置放大器对频率为1kHz的输入信号进行100倍增益的放大效果图，电阻变化量；
图11为本发明的优化MCT探测器性能的低温低噪声前置放大器对频率为100kHz的输入信号进行100倍增益的放大效果图，电阻变化量；
图12为本发明的优化MCT探测器性能的低温低噪声前置放大器对频率为100kHz的输入信号进行100倍增益的放大效果图，电阻变化量；
图13为本发明的优化MCT探测器性能的低温低噪声前置放大器对频率为1kHz和100kHz的混合输入信号进行100倍增益的放大效果图，其总的电阻变化为。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
发明人发现，目前对光电导型MCT红外探测器在深低温下微弱信号进行前置放大对于红外探测器本身的性能可以有决定性提高。并且通过低温电路设计技术，采用一种基于RGC结构的创新型放大电路结构，可以有效解决固有的阻抗匹配问题和电路输入等效噪声较大的问题。
发明人进一步研究发现，设计低温度系数的可编程电阻串可以有效解决温漂带来的噪声。因此设计了若干可编程电阻串以满足电路需求。
本发明提出的一种基于RGC结构的创新型放大电路结构包括：外置的光电导型MCT红外探测器Rd、调节式共源共栅结构RGC、偏置电流源IBIAS、串入并出移位寄存器SIPOSR、可编程增益电阻串Ramp、可编程旁路电阻串Rbypa、输出缓冲级BUFFER。
本发明中，SIPOSR指的是具有串行输入、并行输出功能的移位寄存器。
图1中的电路结构展示了基于RGC结构的创新型放大电路结构。调节式共源共栅结构RGC由第一PMOS管M1、第二PMOS管M2构成；偏置电流源由第一NMOS管M3和可编程偏置电阻串Rbias构成；所述输出缓冲级BUFFER由运算放大器OTA构成。所述可编程电阻串Rbias、Ramp、Rbypa均采用正负温度系数的电阻Rp、Rm和传输门开关SW结合的方式构成。所述串入并出移位寄存器SIPOSR由D触发器、带复位或置位功能的D锁存器和反相器构成。采用两级结构，第一级D触发器进行串并转换，第二级D锁存器进行信号刷新。
各结构连接方式如下。第一PMOS管M1源极接电源VDD；栅极接电压点Vref，该电压点同时连接Rd、可编程旁路电阻串Rbypa和M2源极；漏极接第二PMOS管M2栅极及第一NMOS管M3的漏极。
第二PMOS管M2源极接电压点Vref；栅极接第一PMOS管M1漏极和第一NMOS管漏极；漏极接可编程增益电阻串Ramp和输出缓冲级BUFFER。
第一NMOS管M3源极接可编程偏置电阻串Rbias；栅极接外置偏压Vbias；漏极接第一PMOS管M1漏极和第二PMOS管M2栅极。
外置光电导型MCT红外探测器Rd一端接电源VDD，一端接电压点Vref。
可编程偏置电阻串Rbias一端接第一NMOS管M3源极，一端接GND；可编程增益电阻串Ramp一端接第二PMOS管M2漏极，一端接GND；可编程偏置电阻串Rbias一端接电压点Vref，一端接GND。
运算放大器OTA同相端接M2漏极及可编程增益电阻串Ramp，反相端与输出相连。运算放大器即普通五管运算放大器结构连接方式，内有第三PMOS管M4、第四PMOS管M5、第五PMOS管M6、第二NMOS管M7、第三NMOS管M8。
图2中展示了可编程偏置电阻串Rbias，采用正负温度系数电阻先并联成一个电阻单元，再串联成可编程电阻的结构。所述可编程偏置电阻串Rbias为3位可编程电阻串。内部连接方式为基础电阻R0一端接输入IN，一端接电阻R1及开关SW0；后6个电阻R1~R6连接方式为电阻Ri一端接电阻Ri-1及开关SWi-1，一端接电阻Ri+1及开关SWi；电阻R7一端接电阻R6及开关SW6，一端接开关SW7。全部开关SW0~SW7的未连接电阻一侧相互连接且连接到输出端OUT。
图3中展示了可编程增益电阻串Ramp，采用的是正、负温度系数电阻分别组合成可编程电阻串RP_A和RP_B，再串联的结构。其中RP_A和RM_A均为6位可编程电阻串。
图4中展示了可编程旁路电阻串Rbypa，采用的是正、负温度系数电阻先分别组成RP_B、RM_B和RMS_B，由RM_B和RMS_B先串联为负温度系数电阻串再和RP_B并联的结构。其中RM_B为6位可编程电阻串，RP_B和RMS_B均为5位可编程电阻串。
图5展示了可编程电阻串RP_A、RM_A采用的6位可编程电阻串结构，分为高3位和低3位。其中高3位结构与图2中可编程偏置电阻串Rbias的3位可编程电阻串结构一致；电阻R0~R7对应为RH0~RH7，开关SWH0~SWH7对应为开关SW0~SW7，输入端、输出端为INH、OUTH。
低3位结构与可编程偏置电阻串Rbias的3位可编程电阻串也基本相同，唯一区别是没有对应基础电阻R0的RL0；输入端INL直接连接开关SWL0和电阻RL1，其余电阻RL1~RL7与电阻R1~R7对应，开关SWL0~SWL7对应开关SW0~SW7，输出端对应的为OUTL。
高3位的输出端OUTH和低3位的输入端INL相连；高3位的输入端INH为6位电阻串的输入端IN，低3位的输出端OUTL为该6位电阻串的OUT。
图6展示了可编程电阻串RP_B采用的5位可编程电阻串结构，分为高3位和低2位。高3位也采用与前述图5的6位可编程电阻串一致的高3位结构；低2位也与前述低3位结构非常类似。无基础电阻RL0所以INL直接连接SWL0和RL1，RL1另一端连接SWL1和RL2，RL2另一端连接SWL2和RL3，RL3另一端连接SWL3，所有SWL0~SWL3不接电阻端相连且连到输出端OUTL。
高3位的输出端OUTH和低2位的输入端INL相连；高3位的输入端INH为5位电阻串的输入端IN，低2位的输出端OUTL为该5位电阻串的OUT。
图7展示了可编程电阻串RMS_B采用的5位可编程电阻串结构，该结构为在RP_B的5位可编程电阻串基础上，在输入端IN和输出端OUT之间连接了一个并联电阻R0。
实施例1
本实施例中的设计指标为：
1.工作温度：77K
2.交流放大电路
3.放大频率：1K~100KHz
4.能与MCT器件阻抗匹配（50~500Ω）
5.增益可调，电压增益50~100倍，可放大阻值变化在10-2~10-6范围内的信号。
本设计的实现效果：
1.超低输入参考等效噪声
通过仿真我们可以看到该放大电路的噪声谱密度和增益与频率之间的关系。由噪声谱密度与增益数据计算，我们最终可得到输入参考等效噪声的数据。如图8所示，输入参考等效噪声在1kHz处和100kHz处分别为1.0277 nV/√Hz和793.393 pV/√Hz。这一噪声指标优于国内外先进前置放大器的指标。
MCT探测器目标应用于FTIR中。如图9所示，FTIR中动镜移动形成干涉光的频率约在1k~100kHz之间，因此需要电路控制放大频段。我们电路的f-3db=247.515kHz，留出了部分余量。
2.放大效果，如图10-图13所示，电路对频率为1kHz、100kHz以及两者叠加的混合信号的100倍放大。其中，电阻变化量横跨10-2-10-6。图中两条曲线分别为放大前与放大后的信号，由图可知可知放大效果良好。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，仅为本发明的优选实施例，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改、等同替换、改进等，都落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种优化MCT探测器性能的低温低噪声前置放大器，其特征在于，所述前置放大器包括：偏置单元、隔直及增益单元、输出缓冲单元和码值控制单元；
所述偏置单元通过外置低噪声电压调控支路电流，支路电流调控偏置管的栅源电压差，其恒定电压差施加在外置的MCT光电导型探测器两端，使光电导型探测器随光强变化产生的电阻变化转换为交直流混合的电流信号；
所述隔直及增益单元首先通过隔直部分将偏置单元产生的电流信号中的交流量提取出来，该交流量即经过探测器光电转化得到的原始信号，得到原始信号后，该隔直及增益单元再通过增益部分得到放大后的信号；
所述输出缓冲单元将隔直及增益单元产生的放大后信号进行缓冲输出，以增强信号的驱动能力，增强信号完整性；
所述数值控制单元通过外部仪器按时序输入二进制码值对各单元内的可编程电阻串的阻值进行调节，使得电路工作在正确工作点上，并控制电路中信号增益倍数；
所述偏置单元中包括第一PMOS管M1、第一NMOS晶体管M3和可编程偏置电阻串Rbias；
所述第一NMOS晶体管M3的栅极接收来自低噪声源表的电压信号Vbias，结合可编程偏置电阻串Rbias阻值调节支路电流，构成一个稳定且可调的偏置电流源IBIAS，第一PMOS晶体管M1的栅源电压差在稳定的偏置电流下可视为恒定值，该电压差稳定施加在外置光电导型探测器两端；
所述隔直及增益单元包括：第二PMOS晶体管M2、可编程旁路电阻串Rbypa和可编程增益电阻串Ramp；
所述隔直及增益单元中的可编程旁路电阻串Rbypa与外置光电导型探测器形成直流通路，隔绝了直流电流流入增益部分，第二PMOS晶体管M2将交流信号传递到可编程增益电阻串Ramp，使得信号得到放大并转为电压值。
2.如权利要求1所述的优化MCT探测器性能的低温低噪声前置放大器，其特征在于：
所述MCT光电导型探测器为外置光电导型探测器，用于检测红外辐射。
3.如权利要求2所述的优化MCT探测器性能的低温低噪声前置放大器，其特征在于：所述可编程偏置电阻串Rbias、可编程增益电阻串Ramp、可编程旁路电阻串Rbypa，各电阻串分别由两列或多列电阻组成，至少具有一列正温度系数、一列负温度系数，串入并出移位寄存器SIPOSR向每个电阻串输入编程码值，通过调控其电阻阵列调整各电阻串总的电阻值及其温度特性，
其中，可编程旁路电阻串Rbypa的总阻值和Rd保持的比例关系，以保证Vref工作点的稳定，其中，Rd是指光电导探测器的电阻，Vref是指M1栅极和光电导Rd连接点电压；
基于RGC结构的放大电路的输入阻抗，当把偏置电流源Ibias阻值等效为Rbias_total时为：
其中，Rin是指放大电路的输入阻抗，gm1和gm2为第一、第二PMOS管M1和M2的跨导，由于偏置电流源Ibias等效电阻较大，用于满足与MCT光电导型探测器的阻抗匹配；
外置光电导型探测器作为增益支路的一部分，入射光强变化时其阻值Rd的也随之变化，通过其阻值变化导致通过的电流发生变化，这种变化经过隔直支路处理转化为交流小信号△I，实现对光信号的探测和放大，该小信号通过导通的第二PMOS管M2传递，在第二PMOS管和Ramp连接处采集到Ramp阻值与交流小信号△I相乘后获得的△V，实现了放大功能，该电路的增益Av即可为Ramp与Rd之间阻值的比值为：
4.如权利要求2所述的优化MCT探测器性能的低温低噪声前置放大器，其特征在于：可编程旁路电阻串Rbypa总温度系数与总阻值可调，总温度系数为：
其中TCM为负温度系数电阻的温度系数，TCP为正温度系数电阻的温度系数，RP为Rbypa中正温度系数电阻的总阻值，RM’为负温度系数电阻的总阻值，
其总阻值为：
通过控制并行信号可编程旁路电阻串Rbypa码值变化实现电阻串总阻值和温度系数的调控，实现电路工作的同时减小电路温漂带来的干扰。
5.如权利要求2所述的优化MCT探测器性能的低温低噪声前置放大器，其特征在于：所述可编程偏置电阻串Rbias、可编程增益电阻串Ramp、可编程旁路电阻串Rbypa，采用正负温度系数的电阻Rp、Rm和传输门开关SW结合的方式构成，
所述可编程偏置电阻串Rbias采用正负温度系数电阻先并联成一个电阻单元，再串联成可编程电阻的结构，可编程增益电阻串Ramp采用正、负温度系数电阻分别组合成可编程电阻RP_A和RP_B，再串联的结构，可编程旁路电阻串Rbypa先分别组成RP_B、RM_B和RMS_B，由RM_B和RMS_B先串联为负温度系数电阻串再和RP_B并联的结构。
6.如权利要求5所述的优化MCT探测器性能的低温低噪声前置放大器，其特征在于：所述可编程偏置电阻串Rbias为3位可编程电阻串，其内部连接方式为基础电阻RO一端接输入IN，一端接电阻R1及开关SWO；后6个电阻R1～R6连接方式为电阻Ri一端接电阻Ri-1及开关SWi-1，一端接电阻Ri+1及开关SWi；电阻R7一端接电阻R6及开关SW6，一端接开关SW7，全部开关SWO～SW7的未连接电阻一侧相互连接且连接到输出端OUT，
所述可编程增益电阻串Ramp和可编程旁路电阻串Rbypa中，电阻串RP_A、RM_A、RM_B均为结构相同的6位可编程电阻串；电阻串RP_B、RMS_B均为5位可编程电阻串；
所述电阻串RP_A、RM_A、RM_B采用的6位可编程电阻串结构分为高3位电阻串和低3位电阻串，其高3位电阻串的输出端OUTH和低3位电阻串的输入端INL相连；高3位电阻串的输入端INH为6位电阻串的输入端INl低3位电阻串的输出端OUTL为该6位电阻串的OUT，
其中高3位电阻串与可编程偏置电阻串Rbias的3位可编程电阻串一致；电阻RO～R7对应为RH0～RH7，开关SWH0～SWH7对应为开关SW0～SW7，输入端、输出端为INH、OUTH。
7.如权利要求6所述的优化MCT探测器性能的低温低噪声前置放大器，其特征在于：低3位电阻串与Rbias的3位可编程电阻串的区别仅在于没有对应基础电阻R0的RL0；输入端INL直接连接开关SWL0和电阻RL1，其余电阻RL1～RL7与电阻R1～R7对应，开关SWL0～SWL7对应开关SW0～SW7，输出端对应的为OUTL，
所述电阻串RP_B采用的5位可编程电阻串分为高3位电阻串和低2位电阻串，其高3位电阻串的输出端OUTH和低2位电阻串的输入端INL相连；高3位电阻串的输入端INH为5位电阻串的输入端IN，低2位电阻串的输出端OUTL为该5位电阻串的OUT，
或，其中高3位电阻串采用与所述6位可编程电阻串结构一致的高3位电阻串；低2位电阻串也遵循与所述低3位类似的结构，无基础电阻RL0所以INL直接连接SWL0和RL1，RL1另一端连接SWL1和RL2，RL2另一端连接SWL2和RL3，RL3另一端连接SWL3，所有SWL0～SWL3不接电阻端相连且连到输出端OUTL，
所述电阻串RMS_B在RP_B的5位可编程电阻串基础上在输入端IN和输出端OUT之间又连接了一个并联电阻R0，
所述串入并出移位寄存器SIPOSR由D触发器、带复位或置位功能的D锁存器和反相器构成，在时钟信号的控制下完成数据的移位、存储和输出操作；
所述串入并出移位寄存器采用两级结构，第一级D触发器将31位串行输入码转换为并行输出码，第二级D锁存器控制前级输入状态何时传递下去；
所述串入并出移位寄存器SIPOSR外接数据端口DATA_R、时钟CP、置位端CDN和使能端EN，第一级D触发器一共31个，第1个D触发器输入为DATA_R的串行输入码流，此后前级第i个Dffi触发器输出Qi连接后级第i+1个D触发器输入Dffi+1和第二级的第i个D锁存器的Dlatchi，第31个D触发器的输出Q31连接第31个D锁存器Dlatch31，其中1<i＜31；第一级D触发器接时钟信号CP，第二级D锁存器接置位端CDN和使能端EN，并行输出Rbias<2：0>、Ramp<11：0>、Rbypa<15：O>到三个可编程电阻串当中，可编程电阻串的开断均由上述31位数字信号决定。
8.如权利要求2所述的优化MCT探测器性能的低温低噪声前置放大器，其特征在于：第一PMOS管M1源极接电源VDD，栅极接电压点Vref同时连接Rd、可编程旁路电阻串Rbypa和M2源极；漏极接第二PMOS管M2栅极及第一NMOS管M3的漏极；
所述第二PMOS管M2源极接电压点Vref；栅极接第一PMOS管M1漏极和第一NMOS管漏极；漏极接可编程增益电阻串Ramp和输出缓冲级BUFFER；
所述第一NMOS管M3源极接可编程偏置电阻串Rbias；栅极接外置偏压Vbias；漏极接第一PMOS管M1漏极和第二PMOS管M2栅极；
所述外置光电导型MCT红外探测器Rd一端接电源VDD，一端接电压点Vref；
所述可编程偏置电阻串Rbias一端接第一NMOS管M3源极，一端接GND；可编程增益电阻串Ramp一端接第二PMOS管M2漏极，一端接GND；可编程偏置电阻串Rbias一端接电压点Vref，一端接GND。
9.如权利要求8所述的优化MCT探测器性能的低温低噪声前置放大器，其特征在于：
所述输出缓冲单元由运算放大器OTA构成，由于缓冲输出级的存在，提高了电路的驱动能力；
所述运算放大器OTA同相端接M2漏极及可编程增益电阻串Ramp，反相端与输出相连，运算放大器为五管运算放大器结构连接方式，分为第三PMOS管M4、第四PMOS管M5、第五PMOS管M6、第二NMOS管M7、第三NMOS管M8，其中第三PMOS管M4源极接VDD；栅极接外置偏压VB；漏极接第四PMOS管M5和第五PMOS管M6的源极，第四PMOS管M5和第五PMOS管M6的栅极分别做运算放大器的同相和反相输入端；第四PMOS管M5的漏极连接第二NMOS管M7的漏极，并与第二NMOS管M7、第三NMOS管M8的栅极相连；第三NMOS管M8的漏极连接第四PMOS管M5的漏极且作为运算放大器的输出端；第二NMOS管M7、第三NMOS管M8的源极接GND。
10.权利要求1-9任一权利要求所述优化MCT探测器性能的低温低噪声前置放大器的放大方法，其特征在于：
包括以下步骤：第一PMOS管M1与偏置电流源IBIAS和外接低噪声偏置电压Vbias结合，通过可编程偏置电阻串Rbias生成稳定的电流，确保第一PMOS管工作在最佳的偏置点，提供稳定偏置电压，
通过可编程旁路电阻串Rbypa与外置光电导型MCT红外探测器Rd，实现交流信号的有效耦合和直流信号的阻隔，得到可供后续电路放大处理的交流信号；
第二PMOS管M2与可编程增益电阻串Ramp的组合，以使得交流信号△I被转换为较大的电压变化△V，实现增益可调的信号放大，实现增益可调的放大；
输出缓冲和信号驱动：输出缓冲级BUFFER实现了输出阻抗匹配，并增强了电路的负载驱动能力，确保信号在传输过程中完整性，实现有效信号驱动。
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