應(yīng)用于工作在線性模式下的雪崩光電二極管的接口電路的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種應(yīng)用于工作在線性模式下的雪崩光電二極管的接口電路，由五個部分組成：前置跨阻放大器、單轉(zhuǎn)雙電路、電壓放大器、幅度檢測器和門控電路。前置跨阻放大器對雪崩光電二極管產(chǎn)生的微弱光感應(yīng)電流信號進行放大，同時轉(zhuǎn)換為電壓信號；單轉(zhuǎn)雙電路將跨阻放大器的單端輸出信號轉(zhuǎn)換為差分信號；電壓放大器將差分信號進一步放大至比較器可以分辨的量級；幅度檢測器根據(jù)其輸入端的信號變化輸出合理的數(shù)字邏輯信號；門控電路用于控制電路的工作狀態(tài)。本發(fā)明電路檢測靈敏度高，可用于應(yīng)用線性模式雪崩光電二極管單光子信號的檢測；同時，電路工作狀態(tài)可以通過邏輯時序控制，可有效降低電路功耗，適用于大規(guī)模陣列探測系統(tǒng)。
【專利說明】應(yīng)用于工作在線性模式下的雪崩光電二極管的接口電路

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及模擬集成電路，尤其涉及一種應(yīng)用于工作在線性模式下的雪崩光電二極管的接口電路，屬于紅外探測技術(shù)。

【背景技術(shù)】
[0002]光子探測技術(shù)是一項重要的微弱信號檢測技術(shù)，特別是在紅外通信波段。因為信號在光纖中傳輸損耗小、對人眼安全等特點，紅外光子探測技術(shù)廣泛應(yīng)用在天文物理、生物超微弱發(fā)光、大氣檢測和遙感測距等方面。用雪崩光電二極管(APD)向紅外方向拓展、進行光子探測是該技術(shù)發(fā)展的主流方向。利用雪崩光電二極管，感應(yīng)激光回波信號得到電流信號，經(jīng)接口電路轉(zhuǎn)換為電壓信號，然后通過后級信號處理，可獲得激光的飛行時間、飛行距離等信息，即構(gòu)成基本的紅外傳感讀出電路(ROIC)系統(tǒng)。
[0003]ROIC系統(tǒng)中的傳感檢測器件主要是InGaAs APD，它是基于電離碰撞觸發(fā)雪崩倍增機理的光電傳感器件，利用載流子的雪崩效應(yīng)產(chǎn)生瞬時脈沖電流。根據(jù)APD反偏電壓與雪崩擊穿電壓的相對關(guān)系，可以分為線性和蓋革兩種偏置模式。當反偏電壓略低于雪崩擊穿電壓時，APD工作在線性模式，輸出的光感應(yīng)電流大小與入射光強度成正比，微弱光子檢測時光感應(yīng)電流僅在微安量級。與蓋革模式相比，線性模式偏置簡單、功耗更低、壽命更長，更適合于大規(guī)模陣列系統(tǒng)的設(shè)計。
[0004]APD探測的電流信號，必須通過接口電路進行處理。接口電路檢測ATO傳感器的輸出電流信號，根據(jù)檢測到的電流大小判斷APD是否感應(yīng)到光子，并輸出相應(yīng)有效的數(shù)字邏輯信號，提供后級讀出電路進行處理。
[0005]APD工作在線性模式下，接口電路負責將檢測到的微安量級的感應(yīng)電流轉(zhuǎn)化為可以為幅度檢測器可以檢測到的一定量級的電壓，電路必須具有一定的信噪比，前置跨阻放大器(TIA)的等效輸入噪聲必須遠低于檢測的靈敏電流閾值。該電流信號也是一個納秒級的窄脈沖信號，因此前置跨阻放大器必須具有較高的帶寬。同時考慮到APD與線性接口連接后帶來的皮法級的輸入電容，前置跨阻放大器必須能夠降低甚至消除這一大輸入電容對帶寬帶來的影響。
[0006]Aro線性模式下的接口電路要滿足高增益、高帶寬要求，其次由于是大陣列的應(yīng)用同時需要考慮減小功耗和版圖面積的因素，在設(shè)計上具有較大的難度。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]發(fā)明目的:為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種應(yīng)用于工作在線性模式下的雪崩光電二極管的接口電路，以匹配工作在線性模式下的雪崩光電二極管，通過檢測其輸出電流的大小判斷是否為微安級的光感應(yīng)電流信號，并輸出相應(yīng)的數(shù)字邏輯信號；另外，本發(fā)明通過門控結(jié)構(gòu)來控制電路的工作狀態(tài)。
[0008]技術(shù)方案:為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
[0009]應(yīng)用于工作在線性模式下的雪崩光電二極管的接口電路，包括前置跨阻放大器、單轉(zhuǎn)雙電路、電壓放大器、幅度檢測器和門控電路，前置跨阻放大器的輸入端作為該接口電路的輸入端，前置跨阻放大器的輸出端連接單轉(zhuǎn)雙電路的輸入端，單轉(zhuǎn)雙電路的輸出端連接電壓放大器的輸入端，電壓放大器的輸出端連接幅度檢測器的輸入端，幅度檢測器的輸出端作為該接口電路的輸出端；
[0010]所述前置跨阻放大器，對雪崩光電二極管的微弱光感應(yīng)電流信號進行放大，同時將放大后的電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號并輸出；
[0011]所述單轉(zhuǎn)雙電路，將前置跨阻放大器輸出的單端信號轉(zhuǎn)換為差分信號并輸出；
[0012]所述電壓放大器，將單轉(zhuǎn)雙電路輸出的差分信號幅度進一步放大至幅度檢測器可以分辨的量級并輸出；
[0013]所述幅度檢測器，根據(jù)電壓放大器輸出的差分信號幅度的變化輸出相應(yīng)的數(shù)字邏輯信號；
[0014]所述門控電路，對前置跨阻放大器、單轉(zhuǎn)雙電路、電壓放大器和幅度檢測器的工作狀態(tài)進行控制。
[0015]使用時，雪崩光電二極管(APD)的陰極連接直流電壓，陽極連接前置跨阻放大器。該接口電路主要應(yīng)用于ROIC系統(tǒng)中。
[0016]優(yōu)選的，所述前置跨阻放大器采用調(diào)節(jié)式共源共柵(RGC)結(jié)構(gòu)；RCG結(jié)構(gòu)最顯著特點是輸入阻抗較低，隔離了 APD輸入電容的影響，使輸入極點變?yōu)榈妥韪哳l次極點，消除輸入端對系統(tǒng)帶寬的影響。
[0017]優(yōu)選的，所述單轉(zhuǎn)雙電路采用RC低通濾波結(jié)構(gòu)，其時間常數(shù)τ應(yīng)遠大于前置跨阻放大器輸出信號的脈寬，保證能夠在電路有效檢測時間內(nèi)，提供足夠的差分信號給后級的電壓放大器。
[0018]優(yōu)選的，所述電壓放大器采用差分輸入結(jié)構(gòu)，具體為電壓放大器采用多級低噪聲放大器(LNA)級聯(lián)的形式，級聯(lián)單元LNA為基本的差分對結(jié)構(gòu)，其采用電阻作負載，尾電流由尾電阻產(chǎn)生。差分對的差分輸入形式可以提高電路的噪聲抗干擾能力；電阻作負載，在尾電流一定的情況下可以保證輸出端靜態(tài)工作點的穩(wěn)定；同時，將尾電流MOS管用尾電阻代替，可以省去偏置電路，并起到抑制共模增益，保持一定的CMRR的作用。
[0019]優(yōu)選的，所述幅度檢測器采用單級或多級反相器結(jié)構(gòu)，具體級數(shù)由輸出信號的邏輯關(guān)系與上升沿或下降沿的時間要求來決定。
[0020]優(yōu)選的，所述門控電路由兩個信號組成，START信號用于電路的預(yù)啟動，EN信號用于控制電路的邏輯輸出，前者比后者先有效，且有效信號寬度大于后者。
[0021]有益效果:本發(fā)明提供的應(yīng)用于工作在線性模式下的雪崩光電二極管的接口電路，檢測靈敏度高，工作頻帶寬，可用于應(yīng)用線性模式雪崩光電二極管單光子信號的檢測；同時，電路工作狀態(tài)可以通過邏輯時序控制，可有效降低電路功耗，適用于大規(guī)模陣列探測系統(tǒng)；本發(fā)明電路具有電路功耗低、面積緊湊、檢測靈敏度高等特點，符合大規(guī)模陣列紅外光子探測系統(tǒng)的應(yīng)用要求。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1為本發(fā)明的設(shè)計結(jié)構(gòu)框圖；
[0023]圖2為本發(fā)明采用的前置跨阻放大器電路圖；
[0024]圖3為本發(fā)明采用的差分對單元電路圖；
[0025]圖4為本發(fā)明設(shè)計的接口電路實例電路圖；
[0026]圖5為本發(fā)明設(shè)計的接口電路實例邏輯時序圖。

【具體實施方式】
[0027]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作更進一步的說明。
[0028]如圖1所示為一種應(yīng)用于工作在線性模式下的雪崩光電二極管的接口電路，包括前置跨阻放大器、單轉(zhuǎn)雙電路、電壓放大器、幅度檢測器和門控電路，APD的陰極連接直流電壓，APD的陽極連接前置跨阻放大器，前置跨阻放大器的輸出端連接單轉(zhuǎn)雙電路的輸入端，單轉(zhuǎn)雙電路的輸出端連接電壓放大器的輸入端，電壓放大器的輸出端連接幅度檢測器的輸入端，幅度檢測器的輸出端輸出數(shù)字邏輯信號。
[0029]所述前置跨阻放大器，對雪崩光電二極管的微弱光感應(yīng)電流信號進行放大，同時將放大后的電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號并輸出；所述單轉(zhuǎn)雙電路，將前置跨阻放大器輸出的單端信號轉(zhuǎn)換為差分信號并輸出；所述電壓放大器，將單轉(zhuǎn)雙電路輸出的差分信號幅度進一步放大至幅度檢測器可以分辨的量級并輸出；所述幅度檢測器，根據(jù)電壓放大器輸出的差分信號幅度的變化輸出相應(yīng)的數(shù)字邏輯信號；所述門控電路，對前置跨阻放大器、單轉(zhuǎn)雙電路、電壓放大器和幅度檢測器的工作狀態(tài)進行控制。
[0030]下面結(jié)合實例對本發(fā)明做出具體說明。
[0031]Aro工作在線性模式下，輸出微安級的光感應(yīng)電流信號。因而，線性接口電路的總體設(shè)計目標是檢測微安級的電流信號并輸出可用的數(shù)字邏輯信號。由圖1可知，假設(shè)幅度檢測器可以分辨的電壓信號幅度約為IV，則對于3μ A的輸入電流檢測靈敏度，總的跨阻增益大約為1V/3 μ A = 3.3 X 105 Ω，即110.5dB Ω。本電路的整體設(shè)計思路為:APD感應(yīng)的光電流通過前置跨阻放大器進行預(yù)放大，轉(zhuǎn)換為電壓信號，實現(xiàn)80?9(ΜΒΩ的跨阻增益；該電壓信號再通過單轉(zhuǎn)雙電路轉(zhuǎn)換后以差分形式通過低噪聲差分放大器LNA進一步進行放大，低噪聲差分放大器LNA提供30-40dB的電壓增益；然后由幅度檢測器判斷處理并輸出數(shù)字邏輯信號，從而完成對APD光感應(yīng)電流的檢測功能。
[0032]所述前置跨阻放大器采用調(diào)節(jié)式共源共柵(RGC)結(jié)構(gòu)，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示，電路的輸出節(jié)點為Vwt點，跨阻增益近似由其漏極負載電阻R1決定，受Regulator環(huán)路增益的作用，其輸入端阻抗在輸入低阻的狀態(tài)下進一步下降，近似為:
_3] f- = l + gl+gRRr //Rs⑴
[0034]式中，gml、gnfi為M1管和Mb管在靜態(tài)工作點下的跨導(dǎo)，為M1管的本征輸出阻抗，在飽和恒流區(qū)為高阻性質(zhì)。在L >> R1, (gfflBRB)gffllr0l >> I的條件下，以上輸入阻抗可以簡化為:
[0035]~ y ^ / / Rs - f ^:)(2)
[0036]這里，采用了 gmlRsgnfiRB>> I的假設(shè)。實際上，只要Rs不是過小，這個假設(shè)總是成立。對于普通的共柵極(CG)結(jié)構(gòu)，輸入阻抗為l/gml，采用RGC結(jié)構(gòu)后，輸入阻抗在CG結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上衰減gmBRB倍。輸入阻抗進一步降低是RGC結(jié)構(gòu)的最顯著特點，其作用一是隔離APD輸入電容的影響，輸入極點為低阻高頻次極點，消除對系統(tǒng)寬帶的影響，其次是輸入阻抗在一定條件下與Rs無關(guān)，可消除靜態(tài)工作點變化對電路交流特性過于嚴重的影響。
[0037]在以上假設(shè)成立的條件下，如輸入電容為Cin，則輸入極點頻率近似為:
[0038]〔3)

1 I I
[0039]該輸入極點頻率較大，成為電路的次極點,主極點由電路內(nèi)部節(jié)點(輸出節(jié)點)決定。這樣，輸入端點APD的結(jié)電容在一定范圍內(nèi)的變化，并不會影響電路的有效帶寬，對電路相位裕度的影響也可忽略，電路的線性工作范圍得到保證。
[0040]RC低通濾波器結(jié)構(gòu)可以看作一種特殊的單轉(zhuǎn)雙結(jié)構(gòu)。單轉(zhuǎn)雙電路采用RC低通濾波器形式，其結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)。
[0041]經(jīng)過RC低通濾波電路的交流小信號輸出和輸入的關(guān)系為:
[0042]Vout = Vin(l-e-t/T)(4)
[0043]式中，t為輸入小信號脈寬，τ為RC低通濾波電路的RC常數(shù)。根據(jù)該公式，t =0.2 τ時，Λ V = Vin-Vout?0.82Vin。顯然，為使電路提供良好的單轉(zhuǎn)雙特性，RC常數(shù)τ應(yīng)該遠大于輸入信號Vin的脈沖持續(xù)時間為Ins級，則RC常數(shù)τ應(yīng)大于5ns，才能確保后級電路完成響應(yīng)；同時，若接口電路檢測時間約為3ns，則RC常數(shù)應(yīng)不小于15ns。
[0044]由于前置跨阻放大器的增益值不夠大，為了使得前置跨阻放大器輸出的電壓信號被比較器識別，還需做進一步的電壓放大，且電壓放大器應(yīng)能提供30?40dB的增益。但應(yīng)注意，電壓放大器的增益值應(yīng)與接口電路中跨阻放大器和幅度檢測器前后匹配，不能過小也不能過大；增益過小，電路不能達到微安級電流靈敏度的檢測要求；增益過大，電路帶寬受到限制、線性響應(yīng)性能退化的同時對于噪聲電流干擾也過于敏感，容易觸發(fā)錯誤檢測。因此，電壓放大器的增益設(shè)計需要有全局考慮。
[0045]圖3為發(fā)明采用的低噪聲電壓放大器，為電阻做負載的差分對結(jié)構(gòu)。電路采用差分信號輸入，可以增強電路對噪聲環(huán)境的抗干擾能力。該差動對電路在平衡狀態(tài)下的小信號差動增益為:
[0046]μ.1 = gmlRD =如,,C JW/L)IssRd(、)
[0047]其中，尾電流Iss由尾電阻產(chǎn)生，且Iss = VP/RSS。使用尾電阻代替尾電流管，電路不需要額外的基準電流源，結(jié)構(gòu)更加簡單。通過設(shè)計合理的差分對管和尾電阻參數(shù)，可以確定電路的小信號增益。同時，電路輸出的共模電平近似為確定的VDD-1ssRD/2，可以為后級比較器電路提供穩(wěn)定的直流工作點。
[0048]幅度檢測器使用反相器結(jié)構(gòu)完成，如圖4中所示的MOS管M8?Mn。APD光感應(yīng)電流產(chǎn)生后，在V5節(jié)點產(chǎn)生一個正的信號幅度變化。為了實現(xiàn)接口電路感應(yīng)到光子時，輸出產(chǎn)生從O到I的邏輯功能變化，需要兩級反相器結(jié)構(gòu)。反相器的翻轉(zhuǎn)電平根據(jù)電路的靜態(tài)工作點和需要檢測的最小信號幅度來確定。
[0049]為降低電路功耗，使電路可以應(yīng)用于大規(guī)模陣列系統(tǒng)，接口電路加入門控信號，電路在門控信號有效時間之外不消耗電流。采用的方法為串聯(lián)支路法，即在各支路添加開關(guān)管，控制電路的導(dǎo)通與關(guān)斷。如圖4中所示的MOS管Ma?Μ?。實際工作中，電路瞬態(tài)導(dǎo)通至穩(wěn)定狀態(tài)需要一定的時間，因此需要兩個門控信號配合使用。圖4中，START信號，提前于EN信號一定時間開啟電路；此時，EN控制幅度檢測器的輸入信號，確保在START有效(高電平)而EN無效(低電平)時，數(shù)字邏輯輸出不會因為電路在建立工作點時可能的信號抖動而紊亂。加入控制信號后，電路的工作邏輯時序圖如圖5所示。
[0050]采用該發(fā)明的如圖4所示的設(shè)計實例，完成了對工作在線性模式下APD的微安級光感應(yīng)電流的檢測要求。電路采用TSMC 0.35 μ m工藝，典型工作溫度(TC下，電路的檢測靈敏度為1.9 μ A,檢測延時3ns,信號從跨阻放大器輸入端輸入到電壓放大器輸出端輸出，實現(xiàn)了 111.6dB的增益和284.4MHz的_3dB帶寬；同時，在電源電壓為3.3V的情況下，電路的靜態(tài)功耗約為0.8mW,版圖面積為55 μ mX90 μ m,可用于大規(guī)模陣列系統(tǒng)的要求。
[0051]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當指出:對于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。
【權(quán)利要求】
1.應(yīng)用于工作在線性模式下的雪崩光電二極管的接口電路，其特征在于:包括前置跨阻放大器、單轉(zhuǎn)雙電路、電壓放大器、幅度檢測器和門控電路，前置跨阻放大器的輸入端作為該接口電路的輸入端，前置跨阻放大器的輸出端連接單轉(zhuǎn)雙電路的輸入端，單轉(zhuǎn)雙電路的輸出端連接電壓放大器的輸入端，電壓放大器的輸出端連接幅度檢測器的輸入端，幅度檢測器的輸出端作為該接口電路的輸出端； 所述前置跨阻放大器，對雪崩光電二極管的微弱光感應(yīng)電流信號進行放大，同時將放大后的電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號并輸出； 所述單轉(zhuǎn)雙電路，將前置跨阻放大器輸出的單端信號轉(zhuǎn)換為差分信號并輸出； 所述電壓放大器，將單轉(zhuǎn)雙電路輸出的差分信號幅度進一步放大至幅度檢測器可以分辨的量級并輸出； 所述幅度檢測器，根據(jù)電壓放大器輸出的差分信號幅度的變化輸出相應(yīng)的數(shù)字邏輯信號; 所述門控電路，對前置跨阻放大器、單轉(zhuǎn)雙電路、電壓放大器和幅度檢測器的工作狀態(tài)進行控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)用于工作在線性模式下的雪崩光電二極管的接口電路，其特征在于:所述前置跨阻放大器采用調(diào)節(jié)式共源共柵結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)用于工作在線性模式下的雪崩光電二極管的接口電路，其特征在于:所述單轉(zhuǎn)雙電路采用RC低通濾波結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)用于工作在線性模式下的雪崩光電二極管的接口電路，其特征在于:所述電壓放大器采用差分輸入結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)用于工作在線性模式下的雪崩光電二極管的接口電路，其特征在于:所述幅度檢測器采用單級或多級反相器結(jié)構(gòu)。
【文檔編號】G01J1/44GK104296866SQ201410562776
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年10月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月21日
【發(fā)明者】鄭麗霞, 王美亞, 袁德軍, 唐豪杰, 姚超凡, 吳金, 張秀川, 高新江 申請人:東南大學