[發(fā)明專利]一種適用于APD陣列的帶有高壓保護的電荷靈敏放大器

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201810425616.1
• 申請日: 2018-05-07
• 公開（公告）號: CN108696253A
• 公開（公告）日: 2018-10-23
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 邱赫梓;魯文高;金美岑
• 申請（專利權(quán)）人: 北京大學(xué)
• 主分類號: H03F1/30
• 分類號: H03F1/30;H03F3/70
• 代理公司: 北京萬象新悅知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11360
• 代理人: 張肖琪

一種工作于需要耐高壓電路的電荷靈敏放大器，可以應(yīng)用于APD探測電路的輸入端保護。包括探測器接口、高壓保護電路、運算放大器、跨接電容、信號處理電路。探測器接口與旁路高壓保護相連接，旁路高壓保護與可調(diào)增益的耐高壓靈敏放大器輸入相連接，可調(diào)增益的耐高壓靈敏放大器輸出與信號處理電路輸入相連接，信號處理電路會輸出復(fù)位信號與高壓保護電路輸入相連接，同時信號處理電路也會輸出檢測的結(jié)果。本發(fā)明APD保護電路設(shè)計合理，可以調(diào)整增益幅度，可進行自動復(fù)位，系統(tǒng)穩(wěn)定。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明設(shè)計光電成像技術(shù)，是一種工作于線性模式的APD陣列的成像讀出電路，屬于微電子及光電子領(lǐng)域。

背景技術(shù)

在軍用、民用的光電成像領(lǐng)域，雪崩光電二極管(APD)可以用來探測單個光子信號的新型高靈敏探測傳感器件。其工作原理是利用內(nèi)部強電場作用，產(chǎn)生雪崩倍增效應(yīng)。因為APD靈敏度高、響應(yīng)速度塊，并且可以陣列化，因此常用于微弱信號檢測、光線通訊等軍事監(jiān)控和民用通訊等領(lǐng)域的探測器和接收。

焦平面陣列一般由探測器陣列和讀出電路(ROIC)組成，其中探測器的作用是將微弱的光信號轉(zhuǎn)化為微弱的電流信號。工作于線性模式的電路所產(chǎn)生的信號電流與光信號成正比。讀出電路的作用是，將微弱的電信號轉(zhuǎn)化為處理機可處理的電信號或數(shù)字信號。在電路工作過程中，因為探測器陣列中的像素可能因擊穿而失效短路，N on P型雪崩二極管在擊穿后，電路會產(chǎn)生負幾十伏的電壓，導(dǎo)致在硅片上產(chǎn)生一個較大的泄漏電流，容易將芯片燒毀。

本實例的高壓保護電路即為解決N型雪崩二極管失效后，對于芯片內(nèi)部其余電路進行保護，使得芯片其余部分仍然可正常工作，以達到提高產(chǎn)品耐用度、成品率。因此設(shè)計一個可靠的高壓保護電路，是目前雪崩光電二極管讀出電路的常見做法。

發(fā)明內(nèi)容：

本發(fā)明提供了一種用于APD需要耐高壓電路的電荷靈敏放大器，本發(fā)明原理時利用探測器產(chǎn)生的光電流信號的脈沖判斷光源，將該時刻的信息存儲，從而產(chǎn)生目標距離的3D坐標信息。通過電路產(chǎn)生的脈沖間隔確定探測器與物體之間的距離。

本實例適用于N on P APD，該APD工作于負電壓區(qū)。對于常規(guī)結(jié)構(gòu)，如果MOS管的柵或源漏直接與探測電路連接，當(dāng)探測器發(fā)生意外擊穿時，MOS管的柵會被擊穿，源漏則會導(dǎo)致PN結(jié)正偏，產(chǎn)生漏電流，使得電路失效。本專利的特殊設(shè)計可以保證在探測器失效時，余下讀出電路仍能繼續(xù)工作不受影響。

本專利設(shè)計中，探測器件輸出與一個漏端耐高壓的PMOS、兩個耐高壓的電容相連接。耐高壓管在工作時充當(dāng)復(fù)位管，使得APD探測器在工作時保持一個固定電平，兩個耐高壓電容C0、C1，其中一個電容C0與電流靈敏放大器的負輸入端相連，另一個C1與電流靈敏放大器的輸出端相連接。這樣的連接模式使得與耐高壓結(jié)點連接的有源器件僅有一個高壓管。當(dāng)探測器擊穿時，與探測器相連的節(jié)點電壓會被拉低到負幾十伏，但由于與高壓管連接，另一端是耐高壓的電容。本專利提出的結(jié)構(gòu)在可以使APD正常工作的同時，起到保護電路的效果。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

一種工作于線性模式APD的主動成像保護電路，其特征在于設(shè)有探測器、高壓保護電路、電流靈敏放大器 (CSA)、溢出檢測電路、增益控制電路、高通濾波器、及復(fù)位控制部分。探測器輸出與高壓保護電路輸入相連接，高壓保護電路的輸出與電流靈敏放大器輸入連接；電流靈敏放大器輸出與溢出檢測電路輸入、高通濾波器輸入連接；高通濾波器輸出、溢出檢測電路輸出與復(fù)位控制連接；復(fù)位控制輸出與高壓保護電路輸入連接。

本發(fā)明優(yōu)點及顯著效果：

(1)本保護電路可以實現(xiàn)對N on P型APD的保護，需要高壓保護管數(shù)量少，適用大規(guī)模陣列。

(2)本發(fā)明可以同時進行APD探測器輸出端的電壓復(fù)位操作，利用現(xiàn)有結(jié)構(gòu)實現(xiàn)溢出復(fù)位、檢測復(fù)位的操作。

(3)本結(jié)構(gòu)利用的高壓管數(shù)量較少，僅為1個，有助于芯片內(nèi)部利用率的提升和成本的降低。