[實用新型]與紅外低阻抗光導(dǎo)探測器匹配的CMOS放大電路

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201320139873.1
• 申請日: 2013-03-26
• 公開（公告）號: CN203251272U
• 公開（公告）日: 2013-10-23
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 袁紅輝;陳永平;陳世軍
• 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: H03F3/45
• 分類號: H03F3/45
• 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

本專利涉及一種CMOS電路設(shè)計方法，特別涉及一種能與長波紅外低阻抗光導(dǎo)探測器匹配的低溫下工作的CMOS放大電路。

背景技術(shù)

目前，波長在12微米以上波長的探測器仍以HgCdTe光導(dǎo)型探測器為主，其電阻非常低，為50歐姆左右，很難與高阻的CMOS電路相匹配。部分應(yīng)用甚至要求波長達到15微米，但無論探測器的規(guī)模有多大，幾乎所有的光導(dǎo)探測器都是不帶RIOC的器件，信號的讀出和處理全部通過外圍電子線路完成，對系統(tǒng)應(yīng)用造成很大的限制。目前的紅外焦平面ROIC幾乎都是針對光伏型探測器的。長波光導(dǎo)探測器之所以未實現(xiàn)焦平面集成，主要原因之一是沒有合適的光導(dǎo)型焦平面ROIC。為了實現(xiàn)焦平面集成，減小系統(tǒng)總體噪聲，需要讀出電路與紅外探測器近距離連接，即光導(dǎo)探測器電路也工作在低溫。隨著IC技術(shù)的發(fā)展，CMOS電路的設(shè)計和加工能力得到大幅提高，研制適用于HgCdTe光導(dǎo)型焦平面的ROIC電路已成為可能。事實上，非致冷微測輻射熱計紅外焦平面（Bolometer?UFPA）就是一種常溫工作的光導(dǎo)型焦平面器件，借鑒其ROIC的設(shè)計思路，可以嘗試研制HgCdTe長波光導(dǎo)焦平面的ROIC。

發(fā)明內(nèi)容

本專利的目的是克服現(xiàn)有條件的不足，設(shè)計了一種CMOS電路，在前端采用橋式輸入方式，解決了與低阻抗探測器匹配的問題，該電路可以應(yīng)用到20歐姆到200歐姆低阻抗探測器信號的放大，并能在液氮溫度下工作。

本專利解決的技術(shù)問題是提供一種能適應(yīng)低輸入阻抗光導(dǎo)型探測器的低溫CMOS電路。所述的CMOS放大電路在輸入端采用橋式電路方式，其中一條為探測器與10K歐姆電阻串聯(lián)；另一條橋路的電阻采用比值高于200倍的兩個電阻串聯(lián)；其雙端輸入單端輸出放大器采用正負電源供電；在負輸入端與輸出之間采用阻值高于1M歐姆的反饋電阻來實現(xiàn)第一級放大；第二級放大采用正端放大方式，放大倍數(shù)高于10倍；橋式輸入、第一級和第二級之間均采用直接耦合。

本專利的特點是：前端為橋式方式，探測器電阻的微小變化能使橋失去平衡，其電壓差直接輸入到放大器的正負輸入端實現(xiàn)差分放大，反饋電阻設(shè)計為1M歐姆，在保證了足夠大的放大倍數(shù)同時又保證了放大器的帶寬。如果流過探測器的電流太大，會使探測器發(fā)熱加劇，增大系統(tǒng)制冷要求，但太小的電流會使探測器產(chǎn)生的電壓信號太小，不利于信號的高性能讀出，所以偏置電阻設(shè)計為10K歐姆，±1.5伏到±5伏供電時流過探測器的電流為500微安到150微安左右。由于與探測器對應(yīng)的橋設(shè)計為10K歐姆和50歐姆，所以從偏置端引入的噪聲到放大器輸入端時能減小200倍，大大減小了系統(tǒng)噪聲。

本專利的特點是：該結(jié)構(gòu)采用兩級放大的方式，兩級之間采用直接連接的方式，防止了電容耦合帶來的噪聲和帶寬問題。第一級設(shè)計了電阻負反饋放大，第二級采用正端放大方式，足夠大的放大倍數(shù)有效地降低了等效輸入噪聲，兩級不同的放大方式有效利用了不同放大方式帶來的優(yōu)點，降低了單一放大方式的多級連接可能帶來的電路振蕩現(xiàn)象。

本專利包含了以下測試結(jié)果：

1經(jīng)過測試，該系統(tǒng)在常溫下其等效輸入噪聲小于3微伏，其常溫的電壓放大倍數(shù)超過1萬倍，3DB帶寬大于10KHZ。

2在低溫下，該放大器與探測器連接后能正常工作，其放大倍數(shù)是常溫的2.5倍，其等效輸入噪聲小于常溫，帶寬大于3ＫＨＺ。

附圖說明

圖1橋式輸入方式和低阻抗CMOS放大器第一級。光導(dǎo)探測器、R4、R7、R8構(gòu)成橋式電路。

圖2低阻抗CMOS放大器第二級。為正端放大方式，信號從正端輸入，輸出與輸入同相位。

圖3低阻抗放大器全圖。第一級與第二級之間直接耦合，無耦合電容，該方式能同時放大直流和交流信號。

圖4低阻抗放大器仿真結(jié)果圖。左邊為交流信號仿真，右邊為瞬態(tài)信號仿真結(jié)果。OUT1為第一級輸出信號，OUT2為第二級輸出信號。

具體實施方式

實施例1

圖1為放大器的橋式方式和第一級放大。R4與紅外光導(dǎo)探測器相連，本電路設(shè)計為10K歐姆，若要加大或減小流過光導(dǎo)探測器的電流，可以加大或減小R4的電阻。R7與R4對應(yīng)，其阻值應(yīng)設(shè)計為相等，本電路也設(shè)計為10K歐姆。R8與光導(dǎo)探測器對應(yīng)，大小設(shè)計與探測器的電阻大小相當(dāng)，本電路設(shè)計為50歐姆左右。若探測器的電阻與R8的大小不一致，可以通過調(diào)節(jié)Vbias使電路在靜態(tài)時其輸出電壓為零伏左右。該放大器適合20歐姆到200歐姆低輸入阻抗光導(dǎo)探測器信號的放大。當(dāng)紅外光導(dǎo)探測器接受紅外信號后，其電阻發(fā)生微小變化，引起IN與REF端的電壓差發(fā)生改變，其改變量通過后面的放大器使紅外信號順利讀出。