[發(fā)明專利]一種用于高速微弱光電信號探測的全定制芯片設(shè)計方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210073949.5
• 申請日: 2012-03-19
• 公開（公告）號: CN102638231A
• 公開（公告）日: 2012-08-15
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 余金金;陳永平;袁紅輝;陳世軍;鄧若漢
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所
• 主分類號: H03F1/42
• 分類號: H03F1/42;H03F3/08;G01J11/00
• 代理公司: 上海新天專利代理有限公司 31213
• 代理人: 郭英

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及微弱光電信號檢測技術(shù)以及集成電路設(shè)計技術(shù)，實現(xiàn)快速放大由微弱光信號轉(zhuǎn)變的電信號。?

背景技術(shù)

光電技術(shù)是當(dāng)今科技領(lǐng)域中最重要也是發(fā)展最快的技術(shù)之一。對光的探測要求已經(jīng)達(dá)到了微弱光信號甚至單光子的程度。當(dāng)然隨之對于光電二極管或是雪崩二極管等所產(chǎn)生的微弱電信號的檢測放大處理電路的要求也越來越高。脈沖激光測距精度也從米級發(fā)展到厘米級甚至毫米級。光電通訊同樣依賴于光電探測技術(shù)，在數(shù)據(jù)傳輸量和傳輸速度要求越來越高的情況下，對于處理數(shù)模轉(zhuǎn)換的前端放大器的要求也日益提高。這些都要求探測器和處理電路有更好的性能，如更低的暗電流、更快的響應(yīng)速度、更高的增益、更短的延遲等等。?

當(dāng)前用于激光回波探測電路系統(tǒng)多由分立元件構(gòu)成，這些在保證精度的同時，即追求高速的同時會面對較大的噪聲干擾，加之分立元件的體積不利于便攜化微型化的系統(tǒng)設(shè)計前景。最近國內(nèi)外文獻(xiàn)中都有關(guān)于芯片級的模塊設(shè)計的提出。如文獻(xiàn)Sung?Min?Park等人在“1.25-Gb/s?Regulated?Cascode?CMOS?Transimpedance?Amplifier?for?Gigabit?Ethernet?Applications”,IEEE?J.Solid-State?Circuits,2004?Vol.39,No.1中介紹了RGC結(jié)構(gòu)。Chao-Hsin?Lu?and?Wei-Zen?Chen等在Bandwidth?Enhancement?Techniques?for?Transimpedance?Amplifier?in?CMOS?Technologies?2001?European?Solid-State?Circuits?Conference的國際會議里有MOS_L的結(jié)構(gòu)原理介紹。C.Hermans,M.Steyaert,A?high-speed?850-nm?optical??receiver?front-end?in?0.18-μm?CMOS,IEEE?J.of?Solid-State?Circuits,Vol.41(7),1606-1614,(2006)提出了改進(jìn)型的切瑞-霍伯（Cherry-Hooper）結(jié)構(gòu)。?

發(fā)明內(nèi)容

基于以上背景，該發(fā)明對采用了RGC跨阻放大器作為前置放大器，選用改進(jìn)型的Cherry-Hooper結(jié)構(gòu)作為寬帶電壓放大器，并且加入了MOS_L的帶寬展寬技術(shù)在輸入端采用單端輸出的芯片設(shè)計流程提出了設(shè)計方法，實現(xiàn)各模塊間的互連匹配。?

為了達(dá)到高速高增益的要求，本設(shè)計在已有的文獻(xiàn)或是專利的基礎(chǔ)上采用了三點改進(jìn)：?

a.跨阻放大器中加入MOS_L技術(shù)用以展寬帶寬（附圖中的上方模塊中標(biāo)出）。?

b.采用改進(jìn)型的Cherry-Hooper結(jié)構(gòu)作為單元放大器（附圖中中間模塊）。?

c.采用單端輸出將差分信號轉(zhuǎn)化為單端信號更方便與板級電路連接（附圖中下方模塊）。?

附圖說明

圖1是芯片電路圖。?

具體實施方式

在EDA平臺上，以0.5μmCMOS標(biāo)準(zhǔn)工藝庫為例，挑選合適的晶體管作為電路結(jié)構(gòu)設(shè)計仿真。?

1.根據(jù)采用的光電探測器的結(jié)電容大小（2pf-5pf）和脈沖電流范圍（100nA-10μA），設(shè)計出電流源和電容并聯(lián)的輸入模塊，接入RGC跨阻放大器的輸入端作為輸入信號。?

2.根據(jù)采用光電探測器的工作電壓范圍（反向偏壓5v左右），調(diào)節(jié)RGC?輸入端的電壓值約為電源電壓的一半。?

3.根據(jù)RGC的輸出端電壓與MOS_L結(jié)構(gòu)后的輸出電壓值選擇R_f（10MΩ）實現(xiàn)跨阻反饋，MOS_L結(jié)構(gòu)中通過改變電阻（附圖中該結(jié)構(gòu)內(nèi)的R₄）的大小，調(diào)節(jié)范圍在1KΩ-1MΩ之間，在保證頻幅曲線光滑的前提下選擇合適的帶寬擴展程度。最后通過調(diào)節(jié)M₄、M₅的寬長比，獲得合適的直流電平，該電壓值作為寬帶放大器的輸入電壓值。?

4.調(diào)節(jié)改進(jìn)型Cherry-Hooper結(jié)構(gòu)內(nèi)部的電阻（附圖中該結(jié)構(gòu)中的R₁R₂）比值與晶體管寬長比，使得輸入輸出的直流電平相同，此處直流電平盡量接近MOS_L輸出電平。Cherry-Hooper結(jié)構(gòu)中首先要控制輸出輸入電平的匹配，由于單級放大器的增益較小，需要三級級聯(lián)實現(xiàn)需要的增益值。單元結(jié)構(gòu)中通過R₁、R₂的比值調(diào)節(jié)來提高增益保證帶寬。?