应用于工作在线性模式下的雪崩光电二极管的接口电路的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种应用于工作在线性模式下的雪崩光电二极管的接口电路，由五个部分组成：前置跨阻放大器、单转双电路、电压放大器、幅度检测器和门控电路。前置跨阻放大器对雪崩光电二极管产生的微弱光感应电流信号进行放大，同时转换为电压信号；单转双电路将跨阻放大器的单端输出信号转换为差分信号；电压放大器将差分信号进一步放大至比较器可以分辨的量级；幅度检测器根据其输入端的信号变化输出合理的数字逻辑信号；门控电路用于控制电路的工作状态。本发明电路检测灵敏度高，可用于应用线性模式雪崩光电二极管单光子信号的检测；同时，电路工作状态可以通过逻辑时序控制，可有效降低电路功耗，适用于大规模阵列探测系统。
【专利说明】应用于工作在线性模式下的雪崩光电二极管的接口电路
【技术领域】
[0001]本发明涉及模拟集成电路，尤其涉及一种应用于工作在线性模式下的雪崩光电二极管的接口电路，属于红外探测技术。
【背景技术】
[0002]光子探测技术是一项重要的微弱信号检测技术，特别是在红外通信波段。因为信号在光纤中传输损耗小、对人眼安全等特点，红外光子探测技术广泛应用在天文物理、生物超微弱发光、大气检测和遥感测距等方面。用雪崩光电二极管(APD)向红外方向拓展、进行光子探测是该技术发展的主流方向。利用雪崩光电二极管，感应激光回波信号得到电流信号，经接口电路转换为电压信号，然后通过后级信号处理，可获得激光的飞行时间、飞行距离等信息，即构成基本的红外传感读出电路(ROIC)系统。
[0003]ROIC系统中的传感检测器件主要是InGaAs APD，它是基于电离碰撞触发雪崩倍增机理的光电传感器件，利用载流子的雪崩效应产生瞬时脉冲电流。根据APD反偏电压与雪崩击穿电压的相对关系，可以分为线性和盖革两种偏置模式。当反偏电压略低于雪崩击穿电压时，APD工作在线性模式，输出的光感应电流大小与入射光强度成正比，微弱光子检测时光感应电流仅在微安量级。与盖革模式相比，线性模式偏置简单、功耗更低、寿命更长，更适合于大规模阵列系统的设计。
[0004]APD探测的电流信号，必须通过接口电路进行处理。接口电路检测ATO传感器的输出电流信号，根据检测到的电流大小判断APD是否感应到光子，并输出相应有效的数字逻辑信号，提供后级读出电路进行处理。
[0005]APD工作在线性模式下，接口电路负责将检测到的微安量级的感应电流转化为可以为幅度检测器可以检测到的一定量级的电压，电路必须具有一定的信噪比，前置跨阻放大器(TIA)的等效输入噪声必须远低于检测的灵敏电流阈值。该电流信号也是一个纳秒级的窄脉冲信号，因此前置跨阻放大器必须具有较高的带宽。同时考虑到APD与线性接口连接后带来的皮法级的输入电容，前置跨阻放大器必须能够降低甚至消除这一大输入电容对带宽带来的影响。
[0006]Aro线性模式下的接口电路要满足高增益、高带宽要求，其次由于是大阵列的应用同时需要考虑减小功耗和版图面积的因素，在设计上具有较大的难度。
【发明内容】
[0007]发明目的:为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种应用于工作在线性模式下的雪崩光电二极管的接口电路，以匹配工作在线性模式下的雪崩光电二极管，通过检测其输出电流的大小判断是否为微安级的光感应电流信号，并输出相应的数字逻辑信号；另外，本发明通过门控结构来控制电路的工作状态。
[0008]技术方案:为实现上述目的，本发明采用的技术方案为:
[0009]应用于工作在线性模式下的雪崩光电二极管的接口电路，包括前置跨阻放大器、单转双电路、电压放大器、幅度检测器和门控电路，前置跨阻放大器的输入端作为该接口电路的输入端，前置跨阻放大器的输出端连接单转双电路的输入端，单转双电路的输出端连接电压放大器的输入端，电压放大器的输出端连接幅度检测器的输入端，幅度检测器的输出端作为该接口电路的输出端；
[0010]所述前置跨阻放大器，对雪崩光电二极管的微弱光感应电流信号进行放大，同时将放大后的电流信号转换为电压信号并输出；
[0011]所述单转双电路，将前置跨阻放大器输出的单端信号转换为差分信号并输出；
[0012]所述电压放大器，将单转双电路输出的差分信号幅度进一步放大至幅度检测器可以分辨的量级并输出；
[0013]所述幅度检测器，根据电压放大器输出的差分信号幅度的变化输出相应的数字逻辑信号；
[0014]所述门控电路，对前置跨阻放大器、单转双电路、电压放大器和幅度检测器的工作状态进行控制。
[0015]使用时，雪崩光电二极管(APD)的阴极连接直流电压，阳极连接前置跨阻放大器。该接口电路主要应用于ROIC系统中。
[0016]优选的，所述前置跨阻放大器采用调节式共源共栅(RGC)结构；RCG结构最显著特点是输入阻抗较低，隔离了 APD输入电容的影响，使输入极点变为低阻高频次极点，消除输入端对系统带宽的影响。
[0017]优选的，所述单转双电路采用RC低通滤波结构，其时间常数τ应远大于前置跨阻放大器输出信号的脉宽，保证能够在电路有效检测时间内，提供足够的差分信号给后级的电压放大器。
[0018]优选的，所述电压放大器采用差分输入结构，具体为电压放大器采用多级低噪声放大器(LNA)级联的形式，级联单元LNA为基本的差分对结构，其采用电阻作负载，尾电流由尾电阻产生。差分对的差分输入形式可以提高电路的噪声抗干扰能力；电阻作负载，在尾电流一定的情况下可以保证输出端静态工作点的稳定；同时，将尾电流MOS管用尾电阻代替，可以省去偏置电路，并起到抑制共模增益，保持一定的CMRR的作用。
[0019]优选的，所述幅度检测器采用单级或多级反相器结构，具体级数由输出信号的逻辑关系与上升沿或下降沿的时间要求来决定。
[0020]优选的，所述门控电路由两个信号组成，START信号用于电路的预启动，EN信号用于控制电路的逻辑输出，前者比后者先有效，且有效信号宽度大于后者。
[0021]有益效果:本发明提供的应用于工作在线性模式下的雪崩光电二极管的接口电路，检测灵敏度高，工作频带宽，可用于应用线性模式雪崩光电二极管单光子信号的检测；同时，电路工作状态可以通过逻辑时序控制，可有效降低电路功耗，适用于大规模阵列探测系统；本发明电路具有电路功耗低、面积紧凑、检测灵敏度高等特点，符合大规模阵列红外光子探测系统的应用要求。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1为本发明的设计结构框图；
[0023]图2为本发明采用的前置跨阻放大器电路图；
[0024]图3为本发明采用的差分对单元电路图；
[0025]图4为本发明设计的接口电路实例电路图；
[0026]图5为本发明设计的接口电路实例逻辑时序图。
【具体实施方式】
[0027]下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
[0028]如图1所示为一种应用于工作在线性模式下的雪崩光电二极管的接口电路，包括前置跨阻放大器、单转双电路、电压放大器、幅度检测器和门控电路，APD的阴极连接直流电压，APD的阳极连接前置跨阻放大器，前置跨阻放大器的输出端连接单转双电路的输入端，单转双电路的输出端连接电压放大器的输入端，电压放大器的输出端连接幅度检测器的输入端，幅度检测器的输出端输出数字逻辑信号。
[0029]所述前置跨阻放大器，对雪崩光电二极管的微弱光感应电流信号进行放大，同时将放大后的电流信号转换为电压信号并输出；所述单转双电路，将前置跨阻放大器输出的单端信号转换为差分信号并输出；所述电压放大器，将单转双电路输出的差分信号幅度进一步放大至幅度检测器可以分辨的量级并输出；所述幅度检测器，根据电压放大器输出的差分信号幅度的变化输出相应的数字逻辑信号；所述门控电路，对前置跨阻放大器、单转双电路、电压放大器和幅度检测器的工作状态进行控制。
[0030]下面结合实例对本发明做出具体说明。
[0031]Aro工作在线性模式下，输出微安级的光感应电流信号。因而，线性接口电路的总体设计目标是检测微安级的电流信号并输出可用的数字逻辑信号。由图1可知，假设幅度检测器可以分辨的电压信号幅度约为IV，则对于3μ A的输入电流检测灵敏度，总的跨阻增益大约为1V/3 μ A = 3.3 X 105 Ω，即110.5dB Ω。本电路的整体设计思路为:APD感应的光电流通过前置跨阻放大器进行预放大，转换为电压信号，实现80?9(ΜΒΩ的跨阻增益；该电压信号再通过单转双电路转换后以差分形式通过低噪声差分放大器LNA进一步进行放大，低噪声差分放大器LNA提供30-40dB的电压增益；然后由幅度检测器判断处理并输出数字逻辑信号，从而完成对APD光感应电流的检测功能。
[0032]所述前置跨阻放大器采用调节式共源共栅(RGC)结构，具体结构如图2所示，电路的输出节点为Vwt点，跨阻增益近似由其漏极负载电阻R1决定，受Regulator环路增益的作用，其输入端阻抗在输入低阻的状态下进一步下降，近似为:
_3] f- = l + gl+gRRr //Rs⑴
[0034]式中，gml、gnfi为M1管和Mb管在静态工作点下的跨导，为M1管的本征输出阻抗，在饱和恒流区为高阻性质。在L >> R1, (gfflBRB)gffllr0l >> I的条件下，以上输入阻抗可以简化为:
[0035]~ y ^ / / Rs - f ^:)(2)
[0036]这里，采用了 gmlRsgnfiRB>> I的假设。实际上，只要Rs不是过小，这个假设总是成立。对于普通的共栅极(CG)结构，输入阻抗为l/gml，采用RGC结构后，输入阻抗在CG结构的基础上衰减gmBRB倍。输入阻抗进一步降低是RGC结构的最显著特点，其作用一是隔离APD输入电容的影响，输入极点为低阻高频次极点，消除对系统宽带的影响，其次是输入阻抗在一定条件下与Rs无关，可消除静态工作点变化对电路交流特性过于严重的影响。
[0037]在以上假设成立的条件下，如输入电容为Cin，则输入极点频率近似为:
[0038]〔3)
1 I I
[0039]该输入极点频率较大，成为电路的次极点,主极点由电路内部节点(输出节点)决定。这样，输入端点APD的结电容在一定范围内的变化，并不会影响电路的有效带宽，对电路相位裕度的影响也可忽略，电路的线性工作范围得到保证。
[0040]RC低通滤波器结构可以看作一种特殊的单转双结构。单转双电路采用RC低通滤波器形式，其结构简单，易于实现。
[0041]经过RC低通滤波电路的交流小信号输出和输入的关系为:
[0042]Vout = Vin(l-e-t/T)(4)
[0043]式中，t为输入小信号脉宽，τ为RC低通滤波电路的RC常数。根据该公式，t =0.2 τ时，Λ V = Vin-Vout?0.82Vin。显然，为使电路提供良好的单转双特性，RC常数τ应该远大于输入信号Vin的脉冲持续时间为Ins级，则RC常数τ应大于5ns，才能确保后级电路完成响应；同时，若接口电路检测时间约为3ns，则RC常数应不小于15ns。
[0044]由于前置跨阻放大器的增益值不够大，为了使得前置跨阻放大器输出的电压信号被比较器识别，还需做进一步的电压放大，且电压放大器应能提供30?40dB的增益。但应注意，电压放大器的增益值应与接口电路中跨阻放大器和幅度检测器前后匹配，不能过小也不能过大；增益过小，电路不能达到微安级电流灵敏度的检测要求；增益过大，电路带宽受到限制、线性响应性能退化的同时对于噪声电流干扰也过于敏感，容易触发错误检测。因此，电压放大器的增益设计需要有全局考虑。
[0045]图3为发明采用的低噪声电压放大器，为电阻做负载的差分对结构。电路采用差分信号输入，可以增强电路对噪声环境的抗干扰能力。该差动对电路在平衡状态下的小信号差动增益为:
[0046]μ.1 = gmlRD =如,,C JW/L)IssRd(、)
[0047]其中，尾电流Iss由尾电阻产生，且Iss = VP/RSS。使用尾电阻代替尾电流管，电路不需要额外的基准电流源，结构更加简单。通过设计合理的差分对管和尾电阻参数，可以确定电路的小信号增益。同时，电路输出的共模电平近似为确定的VDD-1ssRD/2，可以为后级比较器电路提供稳定的直流工作点。
[0048]幅度检测器使用反相器结构完成，如图4中所示的MOS管M8?Mn。APD光感应电流产生后，在V5节点产生一个正的信号幅度变化。为了实现接口电路感应到光子时，输出产生从O到I的逻辑功能变化，需要两级反相器结构。反相器的翻转电平根据电路的静态工作点和需要检测的最小信号幅度来确定。
[0049]为降低电路功耗，使电路可以应用于大规模阵列系统，接口电路加入门控信号，电路在门控信号有效时间之外不消耗电流。采用的方法为串联支路法，即在各支路添加开关管，控制电路的导通与关断。如图4中所示的MOS管Ma?Μ?。实际工作中，电路瞬态导通至稳定状态需要一定的时间，因此需要两个门控信号配合使用。图4中，START信号，提前于EN信号一定时间开启电路；此时，EN控制幅度检测器的输入信号，确保在START有效(高电平)而EN无效(低电平)时，数字逻辑输出不会因为电路在建立工作点时可能的信号抖动而紊乱。加入控制信号后，电路的工作逻辑时序图如图5所示。
[0050]采用该发明的如图4所示的设计实例，完成了对工作在线性模式下APD的微安级光感应电流的检测要求。电路采用TSMC 0.35 μ m工艺，典型工作温度(TC下，电路的检测灵敏度为1.9 μ A,检测延时3ns,信号从跨阻放大器输入端输入到电压放大器输出端输出，实现了 111.6dB的增益和284.4MHz的_3dB带宽；同时，在电源电压为3.3V的情况下，电路的静态功耗约为0.8mW,版图面积为55 μ mX90 μ m,可用于大规模阵列系统的要求。
[0051]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出:对于本【技术领域】的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
【权利要求】
1.应用于工作在线性模式下的雪崩光电二极管的接口电路，其特征在于:包括前置跨阻放大器、单转双电路、电压放大器、幅度检测器和门控电路，前置跨阻放大器的输入端作为该接口电路的输入端，前置跨阻放大器的输出端连接单转双电路的输入端，单转双电路的输出端连接电压放大器的输入端，电压放大器的输出端连接幅度检测器的输入端，幅度检测器的输出端作为该接口电路的输出端； 所述前置跨阻放大器，对雪崩光电二极管的微弱光感应电流信号进行放大，同时将放大后的电流信号转换为电压信号并输出； 所述单转双电路，将前置跨阻放大器输出的单端信号转换为差分信号并输出； 所述电压放大器，将单转双电路输出的差分信号幅度进一步放大至幅度检测器可以分辨的量级并输出； 所述幅度检测器，根据电压放大器输出的差分信号幅度的变化输出相应的数字逻辑信号; 所述门控电路，对前置跨阻放大器、单转双电路、电压放大器和幅度检测器的工作状态进行控制。
2.根据权利要求1所述的应用于工作在线性模式下的雪崩光电二极管的接口电路，其特征在于:所述前置跨阻放大器采用调节式共源共栅结构。
3.根据权利要求1所述的应用于工作在线性模式下的雪崩光电二极管的接口电路，其特征在于:所述单转双电路采用RC低通滤波结构。
4.根据权利要求1所述的应用于工作在线性模式下的雪崩光电二极管的接口电路，其特征在于:所述电压放大器采用差分输入结构。
5.根据权利要求1所述的应用于工作在线性模式下的雪崩光电二极管的接口电路，其特征在于:所述幅度检测器采用单级或多级反相器结构。
【文档编号】G01J1/44GK104296866SQ201410562776
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2014年10月21日 优先权日:2014年10月21日
【发明者】郑丽霞, 王美亚, 袁德军, 唐豪杰, 姚超凡, 吴金, 张秀川, 高新江 申请人:东南大学