一种光电检测电路的制作方法

本发明涉及本发明涉及集成电路领域，具体为一种光电检测电路。

背景技术：

光电检测技术是连接自然模拟光信号与数字电路的桥梁，通过光电传感器将将光信号转化为电信号，再通过模数转换电路将电信号进行采样量化处理输出数字信号，最后通过数字电路进行后续处理。光电转换电路和模数转换电路作为光电检测技术的重要组成部分，其性能直接影响检测效果。

图1为传统的光电检测电路的电路图，该电路包括光电二极管110、电阻120、参考电压模块130和比较器140；电阻120将光电二极管110所产生的光电流转换成电压信号Vlight，其电压值为光电流值与电阻阻值的乘积，参考电压模块130输出参考电压信号VREF，通过比较器实现VREF与Vlight信号的比较，输出检测结果。电路中需要使用电阻和参考电压模块。对于微弱的光信号，光电二极管产生几nA或几十nA的光电流，需要通过电阻放大到几十mV，电阻阻值为兆欧级。

传统的光电检测电路中，光敏器件通常采用外部分离元件实现，这种方法使得光电检测电路容易受到外界入侵和干扰，这种光电检测电路无法应用于芯片安全防护领域。参考专利CN 103162821 B中提出在标准CMOS工艺下采用双极型晶体管(三极管)替代光电二极管实现光电转换功能，采用晶体管的的EB结(发射极与基极之间的PN结)作为光电转换部件，从专利中描述的电路连接关系看，光电三极管采用了二极管连接的应用方式。

传统的光电检测电路中，模数转换电路将光敏器件产生的光电流转换成数字信号输出。参考专利CN 102970076 B中，通过增益放大电路、调整电阻、MOS开关和反馈电阻，实现光电流到电压的转换，通过控制单元控制MOS开关实现不同光强的检测功能。MOS开关串联在光电二极管和电阻支路上，由于MOS器件的在关断情况下，IDS(源极和漏极之间的漏电流)随温度指数增加，对于在探测微弱光信号时，光电探测器转换的光电流大小在pA级及以下级时，MOS器件在关断的情况下，漏电流为几十pA，为光电流的10倍，可以认为MOS器件处于常开而不受控制。

传统的光电检测电路，通常采用单端放大实现光电检测，参考专利CN 103162821 B中，光电三极管和PMOS支路很容易受到电源电压干扰。参考专利CN 102970076 B中，电阻和光电二极管形成的支路很容易受到数字信号的干扰，尤其是在微弱光检测应用时。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种在标准CMOS工艺下实现的高效光电转换器件，该光电器件的版图面积约为传统光电器件的十分之一，且本发明提出的差分方式光电检测电路可以有效抑制干扰信号。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种光电检测电路，它包括用于将光信号转换为电信号的三极管单元，用于提供偏置电流的可配置参考电流电路，用于提供差分电流的差分电流生成电路，以及用于整形输出的差分转单端输出整形电路；配置参考电流电路连接差分电流生成电路，差分电流生成电路分别与三极管单元相连，差分转单端输出整形电路连接到差分电流生成电路与三极管单元的公共节点上。

作为优选方式，所述的三极管单元包括第一三极管和第二三极管，第一三极管为光电三极管，光电三极管集电极接地，基极悬空，发射极接差分电流生成电路的第一输出端和差分转单端输出整形电路的负向输入端，第二三极管集电极和基极接地，发射极接差分电流生成电路的第二输出端和差分转单端输出整形电路的正向输入端；

或者三极管单元包括第一三极管和MOS管，第一三极管为光电三极管，光电三极管集电极接地，基极悬空，发射极接差分电流生成电路和差分转单端输出整形电路，MOS管源极接电源，栅极和漏极短接并连接到差分转单端输出整形电路。

作为优选方式，所述的光电三极管通过标准CMOS工艺实现，对于P衬底工艺，通过P型衬底、N阱和P+注入形成光电三极管；对于N衬底工艺，通过N型衬底、P阱和N+注入形成光电三极管。

作为优选方式，所述的三极管单元中两个三极管的比例为1:1，光电三极管在版图设计时，基极所在区域，需要增加金属阻挡层和Salicide阻挡层以保证光信号能够直接照射到三极管的基极区域。

作为优选方式，所述的配置参考电流电路由若干PMOS支路组成，每条PMOS支路由上PMOS管和下PMOS管组成，所有上PMOS管的源极连接电源电压，栅极连接第一偏置电压信号，所有上PMOS管的漏极分别连接其对应下PMOS管的源极，所有下PMOS管的栅极连接逻辑控制信号，所有下PMOS管的漏极连在一起构成配置参考电流电路的输出端。

作为优选方式，所述的差分电流生成电路由左PMOS管和右PMOS管组成，左PMOS管和右PMOS管的源极短接并连接配置参考电流电路的输出端，栅极连在一起并与第二偏置电压信号相连，漏极分别输出差分电流信号I-和I+。

作为优选方式，所述的差分转单端输出整形电路包括第一PMOS管、第二PMOS管、第一NMOS管和第二NMOS管，第一PMOS管和第二PMOS管的源极接电源，栅极短接，第一PMOS管的栅极和漏极短接，并连接第一NMOS管的漏极，第二PMOS管的漏极与第二NMOS管的漏极相连作为输出信号，第一NMOS管和第二NMOS管的栅极连接差分输入信号，源极接地。

作为优选方式，所述的配置参考电流电路由若干NMOS支路组成，每条NMOS支路由上NMOS管和下NMOS管组成，所有下NMOS管的源极接地，栅极连接第一偏置电压信号，漏极分别连接对应上NMOS管的源极，所有上NMOS管的栅极连接逻辑控制信号，漏极连在一起构成配置参考电流电路的输出端。

作为优选方式，所述的差分电流生成电路由2M条NMOS支路和M-1位反相器组成，将2M条NMOS支路分为两个组，第一组和第二组均含有M条支路，每个组中均有一条支路仅含单独NMOS管，其余M-1条支路的每条支路均由上NMOS管和下NMOS管组成，第二偏置电压信号连接两个单独NMOS管以及两组下NMOS管的栅极，M-1位逻辑控制信号分别按位连接第一组上NMOS管的栅极，M-1位逻辑控制信号经过M-1位反相器反相后分别按位连接第二组上NMOS管的栅极，第一组的单独NMOS管、下NMOS管以及第二组的单独NMOS管、下NMOS管的源极短接在一起并连接到配置参考电流电路的输出端，第一组下NMOS管的漏极分别连接相应的上NMOS管的源极，第一组上NMOS管的漏极与第一组单独NMOS管的漏极短接连接到第一节点，第二组下NMOS管的漏极分别连接相应的上NMOS管的源极，第二组上NMOS管的漏极与第二组单独NMOS管的漏极短接连接到第二节点。

作为优选方式，所述的差分转单端输出整形电路包括第一PMOS管、第二PMOS管、第一NMOS管和第二NMOS管，第一NMOS管和第二NMOS管的源极接地，栅极短接，第一NMOS管的栅极和漏极短接，并连接第一PMOS管的漏极，第二NMOS管的漏极与第二PMOS管的漏极相连作为输出信号，第一PMOS管和第二PMOS管的栅极连接差分输入信号，源极接电源

本发明的有益效果是：整体电路采用标准CMOS工艺实现，电路结构简单，稳定可靠，电路采用差分结构，有效提高了电路的抗干扰能力，可应用芯片安全防护领域，也可用于光纤通信领域。本光电检测电路只包括光电三极管、参考电流电路、差分电流电路和输出电路，传统光电检测电路在实现pA级光电流检测时需要使用千兆欧级电阻实现信号放大，大电阻的使用一方面增大了电路的版图面积，另一方面电阻产生的热噪声会严重干扰电路检测效果。本发明无需电阻和运算放大器，降低了电路的复杂度，有效减小电路面积和成本。该光电检测电路采用差分电路结构，能有效提高电路的抗干扰性能，在微弱光检测的应用中，电路能够有效防止微弱光电流受到干扰。该光电检测电路中的光电三极管运用了三极管的放大特性，在标准CMOS工艺下，如果输出相同的光电流，其面积约为光电二极管的十分之一。

附图说明

图1为传统的光电检测电路的电路图；

图2为本发明的一种光电检测电路；

图3为本发明实施例采用的光电三极管的结构示意图；

图4为本发明实施例采用的光电三极管的等效电路图；

图5为本发明实施例一提供的光电检测电路的电路图；

图6为本发明实施例二提供的光电检测电路的电路图。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

实施例一：

如图2～图5所示，其中图2是本发明的一种光电检测电路。该光电检测电路包括用于将光信号转换为电信号的三极管单元，用于提供偏置电流的可配置参考电流电路210，用于提供差分电流的差分电流生成电路220，用于整形输出的差分转单端输出电路230。

三极管单元中光电三级管301集电极接地，基极分别悬空，发射极接差分电流生成电路220的A端和差分转单端输出电路230的负向输入端，三级管302集电极和基极接地，发射极接差分电流生成电路220的B端和差分转单端输出电路230的正向输入端。

可配置参考电流电路210连接差分电流生成电路220。

在本发明所述的一种光电检测电路，所述光电三级管300通过标准CMOS工艺实现，对于P衬底工艺，通过P型衬底、N阱和P+注入形成光电三极管。对于N衬底工艺，通过N型衬底、P阱和N+注入形成光电三极管。

在本发明所述的一种光电检测电路，所述三级管单元中两个三极管的比例为1：1，三极管301在版图设计时，基极所在区域，需要增加金属阻挡层和Salicide阻挡层(阻挡产生金属化合物)以保证光信号能够直接照射到三极管的基极区域。

图3和图4是本发明提供的光电三级管的示意图，310为光电三极管的截面图，由Psub、Nwell和P+形成，其中P+和Nwell构成的PN结为发射结，P+为光电三极管的发射极，Nwell与Psub构成的PN为集电结，Psub为光电三极管的集电极，Nwell为光电三极管的基极。可以看出光电三极管的感光区域为集电结，位于基极区域。320为光电三极管等效电路图，在基极与集电极直接额外增加了一个光电二极管。当光电三极管未受到光照时，由于基极浮空没有基极电流，所以从发射极看到的电流为0，当光电三极管受到光照时，基极产生光电流I_lingt,由三极管的放大特性，从发射极看到的电流为(1+β)I_light。所以，在标准CMOS工艺下，本发明提出的光电三极管的光电效率约为光电二极管的10倍，产生相同的光电流的情况下，光电三极管的面积约为光电二极管的十分之一。

图5是本发明提供的光电检测电路的电路图，电路由可配置参考电流电路210、差分电流生成电路220、光电三极管300和差分转单端输出电路230组成。其中可配置参考电流电路210由PMOS管411、412…41N和421、422…42N组成，PMOS管411、412…41N的源极连接电源电压，栅极连接偏置电压信号VB1,漏极分别连接421、422…42N的源极，PMOS管421、422…42N的栅极连接N位逻辑控制信号CTRL_IB信号，漏极连在一起输出。当421的栅极信号为低电平时，PMOS管421和411支路开启，输出偏置电流I，当421的栅极信号为高电平时，PMOS管421和411支路断开，输出偏置电流0，所以可配置参考电流电路210输出偏置电流由CTRL_IB信号控制，电流值可表示为I_B＝(N-CTRL_IB)I。差分电流生成电路220由PMOS管431和432组成，PMOS管431和432的源极短接并连接输入电流信号，栅极端接连接输入偏置电压信号VB2，漏极分别输出差分电流信号I-和I+，PMOS管431和432的尺寸一样，所以输出差分电流I-和I+相等。其中光电三极管300中，光电三级管301为PNP型晶体管，集电极接地，基极分别悬空，发射极输入差分电流信号I-，三级管302为PNP型晶体管，集电极和基极接地，发射极输入差分电流信号I+，差分转单端输出电路230由PMOS管441、442和NMOS管443、444组成，PMOS管441、442的源极接电源，栅极短接，441的栅极和漏极短接，并连接NMOS管443的漏极，442的漏极与NMOS管444的漏极相连作为输出信号，NMOS管443、444的栅极连接差分输入信号，源极接地。

当光电三极管300未受到光照时，光电三极管301产生的光电流为0，三极管302基极接地，三极管302流过的电流为可配置参考电流电路210输出的电流I_B，A节点电位高于B节点电位，差分转单端输出电路230输出高电平。当光电三极管300受到光照时，光电三极管301产生的光电流为I_light，三极管302基极接地，三极管302流过的电流为I_bjt，当I_light<I_B/2时，I_bjt＝I_B-I_light，此时PMOS管431工作在线性区，A节点电位高于B节点电位，差分转单端输出电路230输出高电平。当I_light>I_B/2时，I_bjt＝I_B/2，此时PMOS管431的漏端被拉低，A节点电位低于B节点电位，差分转单端输出电路230输出低电平。

电路采用差分结构，当电路受到来自电源干扰信号，A、B两点的会随干扰信号同步变化，A、B两点的电压差值保持不变，差分转单端输出电路230输出电平不受影响。

实施例二：

如图2～图4以及图6所示，其中图2是本发明的一种光电检测电路。该光电检测电路包括用于将光信号转换为电信号的三极管单元，用于提供偏置电流的可配置参考电流电路210，用于提供差分电流的差分电流生成电路220，用于整形输出的差分转单端输出电路230。

三极管单元中光电三级管301集电极接地，基极分别悬空，发射极接差分电流生成电路220的A端和差分转单端输出电路230的负向输入端，三级管302集电极和基极接地，发射极接差分电流生成电路220的B端和差分转单端输出电路230的正向输入端。

可配置参考电流电路210连接差分电流生成电路220。

在本发明所述的一种光电检测电路，所述光电三级管300通过标准CMOS工艺实现，对于P衬底工艺，通过P型衬底、N阱和P+注入形成光电三极管。对于N衬底工艺，通过N型衬底、P阱和N+注入形成光电三极管。

在本发明所述的一种光电检测电路，所述三级管单元中两个三极管的比例为1：1，三极管301在版图设计时，基极所在区域，需要增加金属阻挡层和Salicide阻挡层(阻挡产生金属化合物)以保证光信号能够直接照射到三极管的基极区域。

图3和图4是本发明提供的光电三级管的示意图，310为光电三极管的截面图，由Psub、Nwell和P+形成，其中P+和Nwell构成的PN结为发射结，P+为光电三极管的发射极，Nwell与Psub构成的PN为集电结，Psub为光电三极管的集电极，Nwell为光电三极管的基极。可以看出光电三极管的感光区域为集电结，位于基极区域。320为光电三极管等效电路图，在基极与集电极直接额外增加了一个光电二极管。当光电三极管未受到光照时，由于基极浮空没有基极电流，所以从发射极看到的电流为0，当光电三极管受到光照时，基极产生光电流I_lingt,由三极管的放大特性，从发射极看到的电流为(1+β)I_light。所以，在标准CMOS工艺下，本发明提出的光电三极管的光电效率约为光电二极管的10倍，产生相同的光电流的情况下，光电三极管的面积约为光电二极管的十分之一。

图6是本发明一实施例提供的光电检测电路的电路图，电路由可配置参考电流电路210、差分电流生成电路220、光电三极管300和差分转单端输出电路230组成。其中可配置参考电流电路210由NMOS管511、512…51N和521、522…52N组成，NMOS管511、512…51N的源极接地，栅极连接偏置电压信号VB1,漏极分别连接521、522…52N的源极，PMOS管521、522…52N的栅极连接N位逻辑控制信号CTRL_IB信号，漏极连在一起输出。当521的栅极信号为高电平时，NMOS管521和511支路开启，输出偏置电流I，当521的栅极信号为低电平时，NMOS管521和511支路断开，输出偏置电流0，所以可配置参考电流电路210输出偏置电流由CTRL_IB信号控制，电流值可表示为I_REF＝CTRL_IB×I。差分电流生成电路220由NMOS管531、532…53M，542…54M，551、552…55M，562…56M和M-1位反相器571组成，偏置电压信号VB2连接在NMOS管531、532…53M和551、552…55M的栅极，M-1位逻辑控制信号CTRL_IREF分别按位连接NMOS管542…54M的栅极，M-1位逻辑控制信号CTRL_IREF经过M-1位反相器571反相后分别按位连接NMOS管562…56M的栅极，NMOS管531、532…53M和551、552…55M源极短接并连接到可配置参考电流电路210，532…53M的漏极分别连接542…54M的源极，542…54M的漏极与531的漏极短接连接到A节点，562…56M的漏极分别连接572…57M的源极，572…57M的漏极与561的漏极短接连接到B节点。当542的栅极信号为高电平时，NMOS管532和542支路开启，此时，对应的562的栅极为低电平，NMOS管552和562支路断开，A节点电流增加I，B节点电流减小I。当542的栅极信号为低电平时，NMOS管532和542支路断开，此时，对应的562的栅极为高电平，NMOS管552和562支路开启，A节点电流减小I，B节点电流增加I。差分电流生成电路输出两支路电流可通过CTRL_IREF调节比例关系，可以由公式I_A/I_B＝(CTRL_IREF+1)/(M-CTRL_IREF)。光电三极管300中，光电三级管301为NPN型晶体管，集电极接地，基极分别悬空，发射极连接到A节点，PMOS管501源极连接电源，栅极和漏极短接并连接到B节点。差分转单端输出电路230由PMOS管581、582和NMOS管583、584组成，NMOS管583、584的源极接地，栅极短接，583的栅极和漏极短接，并连接PMOS管581的漏极，584的漏极与PMOS管582的漏极相连作为输出信号，PMOS管581、582的栅极连接差分输入信号，源极接电源。

当光电三极管300未受到光照时，光电三极管301产生的光电流为0，PMOS管501流过的电流为可配置参考电流电路210输出的电流I_REF，A节点电位低于B节点电位，差分转单端输出电路230输出高电平。当光电三极管300受到光照时，光电三极管301产生的光电流为I_light，PMOS管501流过的电流I_MOS，当I_light<I_REF(CTRL_IREF+1)/M时，I_bjt＝I_B-I_light，A节点电位低于B节点电位，差分转单端输出电路230输出高电平。当I_light>I_REF(CTRL_IREF+1)/M时，A节点电位高于B节点电位，差分转单端输出电路230输出低电平。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，应当指出的是，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。