桥式输入电阻负反馈的cmos前放电路的制作方法
【技术领域】
[0001] 本专利涉及一种CMOS电路，特别涉及桥式输入电阻负反馈的CMOS前放电路。
【背景技术】
[0002] 在航天遥感领域，红外探测器组件是红外成像系统的核心元器件，光导型红外探 测器因其在长波领域具有很大的优势，所以大部份长波红外探测使用光导型红外探测器， 但其内阻很低，一般低于100欧姆，且工作在液氮低温，这样就对与该类探测器互连的电路 提出了更高的要求，要求电路即能与低阻抗探测器匹配，也能在液氮低温下工作。目前大部 分的长波光导红外探测器信号读出采用的是探测器与电路分开的设计方法，探测器在低温 下工作，电路在常温下工作，信号在传输过程中极容易引人干扰，不利于探测系统性能的提 尚。
[0003] 为实现高性能的探测和读出，要求长波光导探测器与电路近距离连接，所设计的 电路也能在低温下工作，但目前集成电路的设计大都采用CMOS电路，且其内阻较高，为了 实现高阻CMOS电路与低阻抗探测器的匹配，需要设计一种新型的拓扑结构来实现，本电路 采用了一种桥式输入电阻负反馈的CMOS前放电路很好地解决了这一问题。该电路不仅仅 适用长波光导探测器信号的高性能读出，也适用于其它低阻抗的微小电阻变化的测量，对 大规模的长波红外焦平面探测技术提供了重要的技术基础。
【发明内容】
[0004] 本专利提出了一种CMOS前放电路，在输入部分采用桥式输入方式，克服了现有的 CMOS电路与低阻抗探测器不匹配的问题，该电路适合100欧姆以下的低阻抗探测器信号的 放大，也能在液氮低温下能正常工作，这样CMOS前放电路与探测器互连后都能在液氮低温 下正常工作，克服了现在的探测器在低温下工作，电路在常温下工作，信号在传输过程中极 容易引人干扰的缺点。
[0005] 其工作原理为：电路输入端为平衡桥式方式，低阻抗探测器电阻的微小变化使桥 失去平衡，其电压差直接输入到放大器的正负输入端实现差分放大。不同反馈电阻的设置 能满足不同的带宽要求和不同的等效输入噪声，在保证放大器带宽的情况下尽可能使用大 的反馈电阻来降低电路的等效输入噪声。增大偏置电流能增加探测器的信号，但如果流过 探测器的电流太大，会使探测器发热加剧，提高系统制冷要求，但太小的电流会使探测器产 生的电压信号太小，不利于信号的高性能读出，所以偏置电阻设计为1K欧姆，±1.5伏到 ±5伏供电时流过探测器的电流为1. 5毫安到5毫安。
[0006] 本专利的技术解决方案是：
[0007] 在输入部分采用平衡桥式输入结构，输入部分的两条桥式支路均采用1K欧姆偏 置电阻，双端输入单端输出放大器采用正负电源供电；差分放大器的负输入端与输出端之 间采用可供选择的5M、2M或1M欧姆的反馈电阻，其特点是：
[0008] a)在图1中，R4、R5、探测器和盲元构成桥式输入结构，R4与红外光导探测器相连， 形成一条通路，R5与盲元相连，形成另一条通路，两条通路构成平衡桥式结构。R5与R4对 应，其阻值相等，本电路设计为1K欧姆，在探测器和盲元电阻都小于100欧姆的情况下，从 偏置电压输入端引入的噪声抑制比大于20dB;
[0009] b)图2为差分放大器电路拓扑结构图。采用差分输入的一级折叠共源共栅结构。 其中PM7和PM8是输入对管，？117、？118、匪4、匪5构成差分输入的共源共栅结构，？114、？115为 差分输出的有源负载，NM6、NM7给共源共栅提供电流源，In-、In+为差分运算放大器的正负 输入端。匪3与NM0构成第一级电流镜，PM0与PM1构成第二级电流镜，匪1与放大部分的 NM6、匪7构成电流镜，PM0与放大部分的PM3构成电流镜。因该放大器采用正负电源供电， 输入端无最小电压要求；
[0010] C)差分放大器的负输入端与输出端之间采用可供选择的5M、2M或1M欧姆的反馈 电阻，当开关1和开关2全为高时，总的反馈电阻约为0. 6M欧姆，当开关1和开关2全为低 时，总的反馈电阻为5M欧姆，通过选择开关1和开关2可组合成不同的反馈电阻大小。该 放大器适合于不同响应率探测器信号的放大读出。
[0011] 本专利有如下优点：
[0012] 1、该电路拓扑结构采用平衡桥式输入和电阻负反馈的方法，顺利地解决了CMOS 电路与低阻抗探测器匹配的问题。
[0013] 2、因该电路能在液氮低温下工作，可实现电路与探测器一同封装并能在液氮低温 下工作，大大降低了组件的等效输入噪声。
[0014] 3、反馈电阻设计为5M、2M或1M欧姆的反馈电阻，可实现不同的放大倍数。
[0015] 4、偏置电阻设计为1K欧姆，当探测器元和盲元的电阻小于100欧姆时，从偏置电 压输入端引入的噪声抑制比大于20dB，有利于等效输入噪声的降低。
【附图说明】
[0016] 图1为桥式输入电阻负反馈的CMOS前放电路总体结构图。
[0017] 图2为DIF-AMP差分放大器电路拓扑结构图。
【具体实施方式】
[0018] 实施例1
[0019] 图1为桥式输入电阻负反馈的CMOS前放电路总体结构图。R4与红外光导探测器 相连，形成一条通路，R5与探测器盲元相连，形成另一条通路，两条通路构成平衡桥式结构。 若要加大或减小流过光导探测器的电流，可以加大或减小R4和R5的电阻大小。R5与R4对 应，其阻值应设计为相等，本电路设计为1K欧姆。盲元和探测器的电阻大小相等，若探测器 电阻与盲元电阻的大小不一致，可以通过调节Vbias使电路正常工作。该放大器适合100 欧姆以下的低输入阻抗光导探测器信号的放大。当红外光导探测器接受红外信号后，其电 阻发生微小变化，引起in与ref端的电压差发生改变，其改变量通过放大器使红外信号顺 利读出。
[0020] 当探测器电阻和盲元电阻为100欧姆时，偏置电阻1K欧姆为探测器电阻或盲元电 阻的10倍，这样从Vbias端引入的噪声到达放大器输入端时其噪声就被抑制了 10倍。在 偏置电阻一定的情况下，探测器和盲元的电阻越小，其噪声的抑制倍数就越大。偏置电阻与 探测器电阻的差值越大对噪声抑制越有好处。
[0021] 为了保证合适的放大倍数，本电路设计为5M、2M或1M欧姆的反馈电阻可选，当开 关1和开关2全为高时，总的反馈电阻约为0. 6M欧姆，当开关1和开关2全为低时，总的反 馈电阻为5M欧姆，通过选择开关1和开关2可组合成不同的反馈电阻大小。若要增加放大 倍数，可以增大反馈电阻大小，但可能引起放大器带宽的变小，具体情况应根据探测器的响 应率来决定。本电路反馈电容设计为2PF，该电容大小可以根据CMOS工艺的具体情况做适 当的调整，目的是保证放大器在正常工作时能实现相位裕度补偿，消除高频振荡，起稳定电 路的作用。
[0022] 实施例2
[0023] 图2为差分放大器电路拓扑结构图。采用差分输入的一级折叠共源共栅结构。其 中PM7和PM8是输入对管，PM7、PM8、NM4、NM5构成差分输入的共源共栅结构，PM4、PM5为 差分输出的有源负载，NM6、NM7给共源共栅提供电流源，In-、In+为差分运算放大器的正负 输入端。匪3与NM0构成第一级电流镜，PM0与PM1构成第二级电流镜，匪1与放大部分的 NM6、匪7构成电流镜，PM0与放大部分的PM3构成电流镜。管子参考尺寸如下表所不（单位 为微米）。
[0024]
[0025] 该差分放大器采用共源共栅结构，可利用正负电源供电，这样差分输入端无最小 电压要求，当差分输入端为零伏时电路也能正常工作。由于该差分放大器采用了折叠共源 共栅结构，在常温和液氮低温下都能正常工作，工作电压范围较大，在±2.5伏和±1伏之 间都能正常工作，但需考虑工作电压的不同导致的功耗差异。
[0026] 实施例3
[0027] 在液氮低温下，对该CMOS前放电路进行了测试，其最小放大倍数为400倍（0. 6M 欧姆的反馈电阻）。然后把CMOS前放电路与低阻抗探测器进行了互联，对该组件进行了测 试，电路和探测器的工作状态良好，组件的3dB带宽大于2KHZ，等效输入点噪声小于30nV/ H厂1/2。利用锁相放大器EGModel117对其通带噪声进行了测试，结果如下表所示：
[0028]
[0029] 从测试结果看，该桥式输入电阻负反馈的CMOS前放电路与低阻抗探测器连接后 在液氮低温下信号能顺利读出，噪声测试结果优良，成功实现了高阻CMOS电路与低阻抗探 测器的匹配。
[0030] 以上通过具体的实施例对本专利进行了说明，但本专利并不限于这些具体的实施 例。本领域技术人员应该明白，还可以对本发明做各种修改、等同替换、变化等等，这些变换 只要未背离本专利的精神，都应在本专利的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种桥式输入电阻负反馈的CMOS前放电路，由输入部分和放大部分构成，其特征在 于： 所述的输入部分采用平衡桥式输入方式，两条桥式支路均采用IK欧姆偏置电阻，一条 支路与探测器相连，形成一条通路，另一条支路与盲元相连，形成另一条通路，两条通路构 成平衡桥式结构； 所述的放大部分采用可变增益的电阻负反馈结构，在负输入端与输出端之间采用可供 选择的5M、2M或IM欧姆的反馈电阻，通过两个开关控制形成不同大小的反馈电阻，所述的 放大部分中的差分放大器采用共源共栅结构，正负电源供电，输入部分与放大部分直接耦 合相连。
【专利摘要】本专利公开了一种桥式输入电阻负反馈CMOS前放电路，由输入部分和放大部分构成，输入部分与放大部分直接耦合相连。该电路在输入部分采用平衡桥式输入结构，输入部分的两条支路均采用1K欧姆偏置电阻，一条支路与探测器相连，形成一条通路，另一条支路与盲元相连，形成另一条通路，两条通路构成平衡桥式结构。为满足不同的放大倍数要求，适应不同响应率探测器信号的放大读出，放大部分采用可变增益的电阻负反馈结构，放大部分的负输入端与输出端之间采用可供选择的5M、2M或1M欧姆的反馈电阻，通过两个MOS开关控制形成不同大小的反馈电阻。为使电路能在液氮低温下工作，放大部分中的差分放大器采用共源共栅结构，正负电源供电。
【IPC分类】H03F1/34, H03F3/45
【公开号】CN204681319
【申请号】CN201520372601
【发明人】袁红辉, 陈世军, 陈永平
【申请人】中国科学院上海技术物理研究所
【公开日】2015年9月30日
【申请日】2015年6月2日