一種微電流檢測電路的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于本發(fā)明屬于電子電路技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種微電流檢測電路。本發(fā)明的適用于大電容的高速弱電流探測器電路分為前級(jí)跨阻放大器、電壓電流轉(zhuǎn)換器和后級(jí)跨阻放大器三級(jí)，前級(jí)跨阻放大器為低輸入阻抗、低增益的跨阻放大器，在足夠?qū)挼膸捪聦?shí)現(xiàn)電路的一部分增益，隔離輸入節(jié)點(diǎn)的大電容，抑制第一級(jí)的噪聲；中間級(jí)為電壓電流轉(zhuǎn)換級(jí)，將第一級(jí)跨阻放大器輸出的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)，便于后級(jí)跨阻放大器處理；后級(jí)跨阻放大器為高增益跨阻放大器，為電路提供一定的增益和增加電路驅(qū)動(dòng)能力。從而整體架構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)帶寬和高增益。
【專利說明】
-種微電流檢測電路
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于電子電路技術(shù)領(lǐng)域，設(shè)及一種微電流檢測電路。
【背景技術(shù)】
[0002] 在高速傳感集成電路中，傳感器接收其他非電信號(hào)后產(chǎn)生的往往是微弱的電流信 號(hào)，同時(shí)，運(yùn)些傳感器前端寄生電容較大。尤其在高速光電集成電路中，光電二極管接收到 光信號(hào)后產(chǎn)生微弱的電流信號(hào)。為了便于后級(jí)電路處理信息，需要將電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為適當(dāng) 幅值的電壓信號(hào)，因此要求前級(jí)弱電流檢測電路具有較大的增益;而考慮到傳感器前端寄 生電容，特別是電容較大的情況下，使得整體電路不能同時(shí)獲得高的增益和大的帶寬，尤其 在要求整體電路具有較好的噪聲性能情況下，增益和帶寬的折中更加明顯。
[0003] 調(diào)節(jié)式共柵共源(RGC)電路結(jié)構(gòu)能較好的隔離前端傳感器的寄生電容，但是噪聲 性能差;其他電流檢測電路一般只適合寄生電容較小的情況。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明所要解決的，就是針對(duì)上述現(xiàn)有微電流檢測電路無法同時(shí)實(shí)現(xiàn)高增益與高 帶寬的限制，尤其是在光電管寄生電容大情況下帶寬不夠?qū)挼膯栴}。提出了一種適用于大 電容的高速弱電流探測器電路。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種適用于大電容的高速弱電流探測器電路，包括前級(jí)跨 阻放大器、電壓電流轉(zhuǎn)換器，后級(jí)跨阻放大器和偏置電路;所述前級(jí)跨阻放大器由第一電阻 Rl、第二電阻R2、第S電阻RFl、第一電容CFl、第一醒OS管麗1和第二醒OS管麗2構(gòu)成；第一 醒OS管麗1的柵極為檢測電流輸入端，第一醒OS管MNl的漏極通過第一電阻Rl后接電源，第 一醒OS管MNl的源極接地;第二醒OS管MN2的柵極接第一醒OS管MNl的漏極，第二醒OS管MN2 的漏極接電源，第二NMOS管MN2的源極通過第二電阻R2后接地;第一 NMOS管MNl的柵極通過 第S電阻RFl后接第二醒OS管M2源極與第二電阻R2的連接點(diǎn)；第一電容CFl與第S電阻RFl 并聯(lián)。所述電壓電流轉(zhuǎn)換器由第四電阻R3、第二電容CU第SNMOS管麗3、第四NMOS管MN4、第 五醒OS管麗5、第一 PMOS管MPl、第二PMOS管MP2和運(yùn)算放大器構(gòu)成;運(yùn)算放大器的同相端為 電壓電流轉(zhuǎn)換器的輸入端，運(yùn)算放大器的反相端依次通過第四電阻R3和第二電容Cl接地， 運(yùn)算放大器的輸出端接第SNMOS管MN3的柵極;第S醒OS管MN3的漏極接第一 PMOS管MPl的 漏極，第S醒OS管MN3的源極接第四匪OS管MN4的漏極；第四匪OS管MN4的源極接地，第四 醒OS管麗4的柵極接第五醒OS管麗5的柵極；第五醒OS管麗5的漏極接第二PMOS管MP2的漏 極，第五醒OS管麗5的源極接地;第一 PMOS管MPl的源極接電源，第一 PMOS管MPl的柵極接第 二PMOS管MP2的柵極;第二PMOS管MP2的源極接電源，第二PMOS管MP2的漏極與第五醒OS管 MN5的漏極相連，為電壓電流轉(zhuǎn)換器的輸出I0UT1。所述后級(jí)跨阻放大器為一標(biāo)準(zhǔn)跨阻放大 器。
[0006] 本發(fā)明的有益效果為，本發(fā)明的適用于大電容的高速弱電流探測器電路分為前級(jí) 跨阻放大器、電壓電流轉(zhuǎn)換器和后級(jí)跨阻放大器=級(jí)，前級(jí)跨阻放大器為低輸入阻抗、低增 益的跨阻放大器，在足夠?qū)挼膸捪聦?shí)現(xiàn)電路的一部分增益，隔離輸入節(jié)點(diǎn)的大電容，抑制 第一級(jí)的噪聲；中間級(jí)為電壓電流轉(zhuǎn)換級(jí)，將第一級(jí)跨阻放大器輸出的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成電 流信號(hào)，便于后級(jí)跨阻放大器處理;后級(jí)跨阻放大器為高增益跨阻放大器，為電路提供一定 的增益和增加電路驅(qū)動(dòng)能力。從而整體架構(gòu)可W實(shí)現(xiàn)帶寬和高增益。
【附圖說明】
[0007] 圖1為本發(fā)明所提出的微電流檢測電路框架；
[0008] 圖2為本發(fā)明所提前級(jí)跨阻放大器的一種實(shí)例電路；
[0009] 圖3為本發(fā)明所提電壓電流轉(zhuǎn)換器電路結(jié)構(gòu)示意圖；
[0010] 圖4為本發(fā)明所提出的后級(jí)跨阻放大器電路結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0011] 下面結(jié)合附圖，詳細(xì)描述本發(fā)明的技術(shù)方案：
[0012] 本發(fā)明中，考慮到信號(hào)輸入節(jié)點(diǎn)寄生電容大，會(huì)嚴(yán)重影響跨阻放大器的增益帶寬 積，無法在滿足傳輸速度的前提下，一步將弱電流信號(hào)放大到輸出合適的電壓信號(hào)。因此， 如圖1所示，本發(fā)明將跨阻分成前級(jí)跨阻和后級(jí)跨阻放大器兩級(jí)實(shí)現(xiàn)總的跨阻增益，前后兩 級(jí)跨阻之間用一個(gè)電壓電流轉(zhuǎn)換電路連接。前級(jí)跨阻放大器為低輸入阻抗、低增益的跨阻 放大器，在足夠?qū)挼膸捪聦?shí)現(xiàn)電路的一部分增益，隔離輸入節(jié)點(diǎn)的大電容，抑制第一級(jí)的 噪聲；由于前級(jí)跨阻輸出的信號(hào)為電壓信號(hào)，為了后級(jí)跨阻能繼續(xù)正常放大，中間加入電壓 電流轉(zhuǎn)換電路將前級(jí)輸出的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)，同時(shí)，電壓電流轉(zhuǎn)換電路能提供一 定的電流增益;前級(jí)跨阻輸出的電壓信號(hào)仍然較小，后級(jí)用電壓放大器實(shí)現(xiàn)難度大，因此后 級(jí)選擇跨阻放大器。運(yùn)樣就形成了圖1所示電路結(jié)構(gòu)，也是本發(fā)明保護(hù)的電路結(jié)構(gòu)。多級(jí)放 大器噪聲系數(shù)計(jì)算公式
[0013]
[0014] 其中化X為第X級(jí)放大器的噪聲系數(shù)，(ix為第X級(jí)放大器的增益。由上面的公式可W 得出，多級(jí)放大器的總噪聲系數(shù)主要取決于第一級(jí)的噪聲系數(shù)，越是后面的放大器對(duì)總的 噪聲系數(shù)影響越小。對(duì)第一級(jí)來說，噪聲系數(shù)應(yīng)該盡量小，增益盡量大。本發(fā)明中，由于輸入 節(jié)點(diǎn)寄生電容大，故要想得到足夠的帶寬，增益不能太大，只能盡量降低前級(jí)跨阻放大器的 噪聲系數(shù)。共源結(jié)構(gòu)電路具有噪聲小的特點(diǎn)，因此本發(fā)明選擇共源結(jié)構(gòu)做為第一級(jí)跨阻放 大器。由于本發(fā)明所保護(hù)的是一種架構(gòu)和方法，而不局限于特定的跨阻放大器具體電路。為 了便于闡述和理解本發(fā)明的內(nèi)容，此處僅W圖2所示前級(jí)跨阻放大器為一實(shí)例，闡述本發(fā)明 的益處。當(dāng)然本發(fā)明也可W采用其他具體跨阻放大器結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。圖2所示前級(jí)跨阻放大 器的跨阻增益為化1，帶寬為：
[0015]
[0016] Cp為輸入端寄生電容，gmnl為NMOS管Ml的跨阻。
[0017] 等效到輸入端的噪聲為
[001 引
[0019] 由帶寬公式和輸入噪聲公式得出，通過增加gmnl和扣可W同時(shí)增加帶寬和減低噪 聲，再結(jié)合跨阻增益化1，可W使得前級(jí)跨阻放大器在滿足帶寬需求，同時(shí)擁有足夠低的噪聲 系數(shù)。
[0020] 如圖3所示，電壓電流轉(zhuǎn)換電路中，醒OS管MN4和MN5為電路提供直流偏置，PMOS管 MPl和MP2為電流鏡，將轉(zhuǎn)換后的電流輸出到后級(jí)，并提供一定電流增益。電壓電流轉(zhuǎn)換電路 跨導(dǎo)為 gm=VlNl/R3。
[0021] 綜合前級(jí)跨阻放大器和電壓電流轉(zhuǎn)換器來看，實(shí)現(xiàn)的是電流放大的功能，電流增 益為gm=mRFi/化，m為PMOS管MP2的寬長比與MP1的寬長比之比。
[0022] 后級(jí)跨阻放大器為傳統(tǒng)跨阻放大器，但是由于傳感器寄生電容被隔離，因此后級(jí) 跨阻放大器輸入節(jié)點(diǎn)寄生電容只是前級(jí)電路輸出管的寄生電容，因此帶寬為
[0023]
[0024] Cdb.MP2為PMOS管MP2漏極和襯底之間的電容，Cdb.M化為醒OS管麗5漏極和襯底之間的 電容，Cin2為后級(jí)跨阻放大器輸入電容。因?yàn)镃db.MP2、Cdb.M化和Cin2很小，因此后級(jí)跨阻放大器 可W在滿足帶寬的情況下，將Rf2設(shè)置得很大。
[0025] 通過上述分析可知，本發(fā)明所提電流檢測電路總的跨阻增益為
[0026]
[0027]而電流檢測電路輸入節(jié)點(diǎn)的大寄生電容被前級(jí)低增益跨阻放大器隔離，后級(jí)跨阻 放大器輸入電容將變得很小，因此整體電路的帶寬和增益比傳統(tǒng)跨阻放大器而言，都可W 設(shè)置的更高，滿足高增益、寬帶的需求。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種微電流檢測電路，包括前級(jí)跨阻放大器、電壓電流轉(zhuǎn)換器、后級(jí)跨阻放大器和偏 置電路;所述前級(jí)跨阻放大器由第一電阻R1、第二電阻R2、第三電阻RF1、第一電容CF1、第一 匪0S管麗1和第二匪0S管MN2構(gòu)成；第一匪0S管麗1的柵極為檢測電流輸入端，第一匪0S管 麗1的漏極通過第一電阻R1后接電源，第一 NMOS管麗1的源極接地;第二NMOS管麗2的柵極接 第一NMOS管麗1的漏極，第二NMOS管麗2的漏極接電源，第二NMOS管麗2的源極通過第二電阻 R2后接地;第一 NMOS管MN1的柵極通過第三電阻RF1后接第二NMOS管M2源極與第二電阻R2的 連接點(diǎn)；第一電容CF1與第三電阻RF1并聯(lián)。所述電壓電流轉(zhuǎn)換器由第四電阻R3、第二電容 C1、第三NMOS管MN3、第四NMOS管MN4、第五NMOS管MN5、第一 PMOS管MP1、第二PMOS管MP2和運(yùn) 算放大器構(gòu)成;運(yùn)算放大器的同相端為電壓電流轉(zhuǎn)換器的輸入端，運(yùn)算放大器的反相端依 次通過第四電阻R3和第二電容C1接地，運(yùn)算放大器的輸出端接第三NMOS管MN3的柵極;第三 匪0S管麗3的漏極接第一 PMOS管MP1的漏極，第三匪0S管麗3的源極接第四匪0S管麗4的漏 極;第四匪0S管麗4的源極接地，第四NMOS管MN4的柵極接第五匪0S管麗5的柵極;第五匪0S 管麗5的漏極接第二PMOS管MP2的漏極，第五匪0S管麗5的源極接地;第一 PMOS管MP1的源極 接電源，第一 PMOS管MP1的柵極接第二PMOS管MP2的柵極;第二PMOS管MP2的源極接電源，第 二PMOS管MP2的漏極與第五NMOS管MN5的漏極相連，為電壓電流轉(zhuǎn)換器的輸出I0UT1。
【文檔編號(hào)】G01R19/00GK106018926SQ201610640211
【公開日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年8月5日
【發(fā)明人】周澤坤, 龔宏國, 劉凱, 石躍, 王卓, 張波
【申請(qǐng)人】電子科技大學(xué)