一种用于连续窄脉冲下的apd像元电压读取电路的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于Aro像元电压检测领域，更具体地，涉及一种用于连续窄脉冲下的APD像元电压读取电路。
【背景技术】
[0002] 雪崩光电二极管（APD)是一种半导体光检测器，其原理类似于光电倍增管。在加 上一个较高的反向偏置电压后（在硅材料中一般为100-200V)，利用电离碰撞（雪崩击穿） 效应，可在Aro中获得一个大约100的内部电流增益。某些硅APD采用了不同于传统Aro的 掺杂等技术，允许加上更高的电压O1500V)而不致击穿，从而可获得更大的增益（>1000)。 一般来说，反向电压越高，增益就越大。Aro主要用于激光测距机和长距离光纤通信，此外也 开始被用于正电子断层摄影和粒子物理等领域。
[0003]APD阵列的前端电路由探测器和读出电路（R0IC)组成，读出电路的主要作用是对 探测器感应的微弱信号进行预处理（如积分、放大、滤波、采样/保持等），再交由外部电路 处理。APD阵列的读出电路的核心是TIA，其将APD产生的光电流信号转换为电压信号，TIA 的精度、速度和输入范围决定了读出电路的性能指标。
[0004] 目前国内外的研究中，TIA的输入范围通常不大，在一些研究中，为了提高增益以 满足线性度的要求，通常要增加TIA中放大器级数以及提高TIA所用的尾电流大小，这样 就直接地增加了面积和功耗。所以设计出一种面积小、功耗低、范围广的读出电路具有很大 的意义，这也间接降低了对APD的输出范围要求，节约了成本。
【发明内容】
[0005]针对现有技术中存在的问题，本申请提供的是一种用于连续窄脉冲下的Aro像元 电压读取电路，其中通过对其关键组件如可变增益放大器、共模电压采样电路等的具体结 构及其设置方式进行研究和涉及，相应能够在更为紧凑的结构上实现，与现有产品相比拓 宽了输入电流的范围，同时具备，消除了输出差模电压的系统级误差等优点，因而尤其适用 于Aro像元电压读取的应用场合。
[0006] 为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种用于连续窄脉冲下的APD像元电压读取电路，其特征在于：所述电路包括探测器、可变增益跨阻放大器（TIA)、共模 信号采样电路、自复位比较器和可变增益放大器；
[0007]所述探测器的输出端连接所述可变增益跨阻放大器的输入端，所述可变增益跨阻 放大器的输出端连接所述共模信号采样电路的输入端，以及所述自复位比较器的一个输入 端，以及所述可变增益放大器（VGA)的一个输入端，所述共模信号采样电路的输出端连接 自复位比较器的另一个输入端，以及所述可变增益放大器（VGA)的另一个输入端。
[0008] 优选地，所述探测器为雪崩光电二极管APD，将光信号转换为电信号作为整个所述 读取电路的输入。
[0009] 优选地，所述可变增益跨阻放大器设有一个单入单出放大器和一个电阻阵列，所 述电阻阵列的两端连接单入单出放大器的输入和输出端，电阻阵列可根据增益控制信号选 择合适的阻值，在输入电流范围很宽时，保证输出电压呈线性输出。
[0010] 优选地，所述共模电压米样电路包括一个使能信号输入端口EN、一个精准延时电 路、一个异或门、一个非门、一个采样控制N型M0S开关M4、一个使能产生N型M0S开关M5、 一个RC延时电阻R5和一个RC延时及采样电容C1。
[0011] 总体而言，按照本发明的上述技术构思与现有技术相比，主要具备以下的技术优 占.
[0012] 1、本发明的Aro像元电压读取电路具有可控增益功能，根据输入电流的大小，可 选择合适的增益档位对其进行放大，使得输出电压呈线性变化，拓宽了输入电流的范围；
[0013] 2、本发明的Aro像元电压读取电路具有共模电压采样功能，增益换档后，通过采 样电路得到正确的共模电压，消除了输出差模电压的系统级误差；
[0014] 3、本发明的Aro像元电压读取电路中TIA可采用单级放大器实现，可以在甚低的 功耗下正常工作。
【附图说明】
[0015] 图1为本发明的原理框图；
[0016] 图2为实施例中探测器、可变增益跨阻放大器（TIA)(电阻阵列略）、自复位锁存器 和可变增益放大器（VGA)的电路图；
[0017] 图3为实施例中可变增益跨阻放大器（TIA)中电阻阵列的电路图；
[0018] 图4为实施例中共模电压采样电路的电路图；
[0019] 图5为实施例中共模电压采样电路的工作波形图。
【具体实施方式】
[0020] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并 不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要 彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0021] 在本实施例中，参看图1，本发明设有探测器1、可变增益跨阻放大器（TIA)2、共模 信号采样电路3、自复位比较器4和可变增益放大器（VGA)5。探测器的输出端连接可变增益 跨阻放大器（TIA)的输入端，可变增益跨阻放大器（TIA)的输出端连接共模信号采样电路 的输入端，以及自复位比较器的一个输入端，以及可变增益放大器（VGA)的一个输入端，共 模信号采样电路的输出端连接自复位比较器的另一个输入端，以及可变增益放大器（VGA) 的另一个输入端，自复位比较器的输出端为使能信号输出，可变增益放大器（VGA)的输出 端为放大差模电压信号输出。
[0022] 在本实施例中，参看图2,探测器1采用Aro器件，雪崩光电二极管（APD)是一种 p-n结型的光检测二极管，其中利用了载流子的雪崩倍增效应来放大光电信号以提高检测 的灵敏度，内部增益高，响应速度快。可变增益跨阻放大器（TIA) 2设有一个单入单出放大 器和一个电阻阵列，电阻阵列的两端连接单入单出放大器的输入和输出端。其中单级放大 器是采用单个BJT管实现的。探测器1产生的电流经过电阻阵列后在放大器输出端产生压 降，完成电流到电压的转换，电阻阵列可根据增益控制信号选择合适的阻值，在输入电流范 围很宽时，为1微安到10毫安，保证输出电压呈线性输出，电阻阵列可根据增益控制信号选 择合适的阻值，在输入电流范围很宽时（五个数量级），保证输出电压呈线性输出，电阻阵 列的详细工作方式见后文。自复位比较器4设有两个输入端，一个输出端，其中一个输入端 Vinl连接共模信号采样电路的输出，另一个输入端Vin2连接可变增益跨阻放大器（TIA)的 输出，输出端为使能信号EN，当
[0023]AVin= |Vinl-Vin2| ^ 10mV
[0024] 时，ΕΝ=1，否则ΕΝ=0。自复位比较器4会将ΕΝ= 1保持约100ns，以供前级使 用，100ns后复位EN=0。可变增益放大器（VGA)5设有两个输入端，其中一个输入端Vin3 连接共模信号采样电路的输出，另一个输入端Vin4连接可变增益跨阻放大器（TIA)的输 出，输出端为放大后的差模电压信号Vout，VGA的增益由外部信号控制。输出端Vout与外 部信号处理电路连接，在不同的增益档位，放大器的增益在gain=5和gain=1之间变化， 目的是为了保持输出电压的线性度且避免在电路中引入大阻值电阻（如在默认档，为了达 到线性反馈电阻应为50kΩ，而因为VGA提供了5倍增益，只需10kΩ就满足了），具体的对 应关系在电阻阵列中说明。当在某一档位（如sel3=1)，放大差模电压输出Vout有
[0025]Vout= 500mV
[0026] 时，外部信号处理电路判定其为溢出，将会换向电阻较小的下一档（如sel2= 1)， sel1~sel3的信号都是由如上方式提供的。
[0027] 在本实施例中，参看图3,电阻阵列设有三个与门、一个使能信号输入端口EN、三 个增益控制输入端口sell、sel2、sel3、三个增益控制N型M0S开关M1、M2、M3、四个反馈电 阻Rl、R2、R3、R4。三个与门的一个输入端与使能信号EN连接，另一个输入端分别与三个 增益控制输入端口sell、sel2、sel3连接，三个与门的输出端分别与三个增益控制N型M0S 开关的栅端连接，R1的左端作为电阻阵列的一端，R1的右端连接Ml的漏端和R2的左端， R2的右端连接M2的漏端和R3的左端，R3的右端连接M3的漏端和R4的左端，R4的右端和 Ml~M4的源端连接作为电阻阵列的另一端。在默认的工作状态下，sell~sel3均为0,反 馈电阻为R1~R4的总和，为10kΩ，此时可变增益放大器（VGA)的增益gain= 5 ;当输出 电压溢出，会有sel3 = 1，此时反馈电阻为R1~R3的总和，为lkQ，此时可变增益放大器