超导纳米线单光子探测器(SNSPD)发展至今已具备很多性能上的优势,但是它通常工作在很强的非线性模式下,即使有多个光子同时被吸收,也只有一个脉冲信号产生,然而在光谱分析、通信、生物成像、宇宙观测和量子信息处理等诸多应用场合中,不仅需要对入射的光子作出响应,还需要对入射的光子数,甚至光子入射的时间和空间位置进行分辨。因此,发展SNSPD阵列,实现光子数分辨、时间分辨和空间分辨是SNSPD发展的一大趋势。目前,采用集成复用方式,研究者们已经可以通过16根同轴线在室温下读出8×8阵列的信号,实现对入射光子位置的分辨。此外,利用SFQ这种超导电路在低温下对8×8阵列进行读出的研究工作也在进行当中。受同轴线数量和热负载的限制,集成复用的读出方式最终依然会限制阵列的规模,而SFQ的设计和制作过程较为复杂,工作时还需增加额外的磁屏蔽,使用时较为不便。串联结构的SNSPD阵列采用传统方式即可读出,通过选用特定大小的并联电阻也可以实现空间分辨,从这方面看比多像元阵列更具优势。但当串联的像元数目较多时,则需要一种能够工作在低温环境下且具有高输入阻抗的特殊射频放大器以便能对不同入射光子数下的脉冲幅度进行清晰地分辨。本论文针对串联结构SNSPD阵列的这一需求,采用Tower Jazz的0.18μm SiGe BiCMOS工艺,研制了具有高输入阻抗的低温射频集成放大电路,主要工作围绕两点展开,首先是如何保证基于SiGe HBT的放大电路在液氦温区能够正常工作,其次是如何利用射频波段的50 Ω测量系统表征高输入阻抗电路,正确提取出相应参数。研究成果分述如下:第一,搭建实验平台,在300 K至4.2 K的温度范围内研究分析了电阻、电容和电感等基本电路元件的温度特性。并在不同的温度下,研究分析了 Tower Jazz工艺中的SiGe HBT以及两种商用SiGe HBT的输入输出特性,总结了 SiGe HBT的直流特性随温度降低的一般规律,分析了低温下差异可能出现的原因。此外,测量了基于SiGe HBT的比例电流源的温度特性。这些工作为低温集成射频放大电路的设计和优化提供了重要的技术保证。第二,通过改变供电方式,使初始研制的50Ω输入阻抗电路在4.2 K获得了10 dB增益和2 MHz～1 GHz带宽,并成功读出SNSPD的脉冲信号,验证了 SiGe工艺在液氦温区工作的可行性。在此基础上,参与设计了具有高输入阻抗的单端、差分两种结构的射频集成放大电路,采用直流工作点可调的方式,克服了缺乏低温工艺模型库这一设计过程中的难题,从工程的角度保证了 SiGe HBT在4.2 K下可以偏置于合适的直流工作点,使得电路能够正常工作。第三,使用网络分析仪研究了高输入阻抗射频放大电路特征参数的提取,从电压的角度分析了在阻抗不匹配情况下的信号分配比例,证实了由50 射频测量系统得到的高阻放大器增益会比实际值高6 dB。此外,通过对比不同校准位置下的测量结果,明确了系统中连接低温和室温环境的较长同轴线对于阻抗和增益测量的影响。这些工作既为高输入阻抗射频电路的低温表征提供了技术方法,又有助于低温电路与SNSPD的正确互连。第四,利用高阻抗射频电路的测试方法,使用网络分析仪成功表征了具有高输入阻抗的单端、差分两种结构射频集成放大电路的性能。在常温下,二者的测量结果与仿真值吻合良好。在4.2K下,单端结构的增益为20 dB,带宽为3.8 MHz～1 GHz,输入阻抗最大可达6.7Ω,功耗仅为0.6 mW,双端结构的增益可达26 dB,带宽为100 kHz～1 GHz,输入阻抗最大可达10kΩ,功耗约为0.9 mW。第五,搭建并逐步优化了低温读出电路与SNSPD的互连测试系统,并成功将各种结构的低温电路与SNSPD互连,读出了相应的脉冲信号。该互连测试系统不仅可以对低温电路的增益进行监测,确保电路处于正常工作状态,同时具备传统读出方式中可以对器件的Ⅰ-Ⅴ曲线进行扫描的优点,便于确定SNSPD偏置电流的大小以及评估低温电路对于器件超流压缩的影响,为低温电路与SNSPD的互连测试奠定了良好的基础。