專利名稱：一種與紅外低阻抗光導(dǎo)探測器匹配的cmos放大電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種CMOS電路設(shè)計(jì)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(dá)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(shí)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R0IC。為了實(shí)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(jì)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(shí)上，非致冷微測輻射熱計(jì)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(jì)思路，可以嘗試研制HgCdTe長波光導(dǎo)焦平面的ROIC0

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有條件的不足，設(shè)計(jì)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。本發(fā)明解決的技術(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(gè)電阻串聯(lián)；其雙端輸入單端輸出放大器采用正負(fù)電源供電；在負(fù)輸入端與輸出之間采用阻值高于IM歐姆的反饋電阻來實(shí)現(xiàn)第一級放大；第二級放大米用正端放大方式，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。本發(fā)明的特點(diǎn)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(fù)輸入端實(shí)現(xiàn)差分放大，反饋電阻設(shè)計(jì)為IM歐姆，在保證了足夠大的放大倍數(shù)同時(shí)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(jì)為10K歐姆，±1.5伏到±5伏供電時(shí)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(jì)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(shí)能減小200倍，大大減小了系統(tǒng)噪聲。本發(fā)明的特點(diǎn)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(jì)了電阻負(fù)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(diǎn)，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。本發(fā)明包含了以下測試結(jié)果:I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I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3 K H Z。


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(shí)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。OUTl為第一級輸出信號，0UT2為第二級輸出信號。
具體實(shí)施例方式實(shí)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(jì)為IOK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(jì)為相等，本電路也設(shè)計(jì)為IOK歐姆。R8與光導(dǎo)探測器對應(yīng)，大小設(shè)計(jì)與探測器的電阻大小相當(dāng)，本電路設(shè)計(jì)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(shí)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。由于R7是R8的200倍，所以從Vbias端引入的噪聲到達(dá)放大器輸入端時(shí)其噪聲就被抑制了 200倍，R7和R8的差值越大對噪聲抑制越有好處，但減小了通過調(diào)節(jié)Vbias電壓來匹配光導(dǎo)探測器內(nèi)阻的范圍。為了保證合適的放大倍數(shù)，本電路的反饋電阻設(shè)計(jì)為IM歐姆，若要增加前級放大倍數(shù)，可以增大反饋電阻大小，但可能引起放大器帶寬的變小。本電路反饋電容設(shè)計(jì)為2PF，該電容大小可以根據(jù)CMOS工藝的具體情況做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，目的是保證放大器在正常工作時(shí)相位裕度補(bǔ)償，消除高頻振蕩，起穩(wěn)定電路的作用。實(shí)施例2圖2為正端放大方式,其輸出與輸入信號同相位,Rll和R12的比值決定了第二級的放大倍數(shù)，本電路Rll設(shè)計(jì)為100K歐姆，R12設(shè)計(jì)為IOK歐姆。放大倍數(shù)為10倍。若要增加第二級的放大倍數(shù)，可以改變Rll與R12不同的電阻比值。IN負(fù)端與OUT之間的反饋電容設(shè)計(jì)為2PF，該電容起第二電路的穩(wěn)定作用，不同的放大倍數(shù)應(yīng)采用不同的反饋電容來進(jìn)行補(bǔ)償。實(shí)施例3圖3為第一級和第二級連接的總圖，兩級放大器之間采用直接連接的方式，橋式輸入方式與第一級放大器之間也采用直接連接方式，克服了電容耦合的缺點(diǎn)，由于電容的微小漏電會使電容耦合引起的直流靜態(tài)點(diǎn)緩慢漂移現(xiàn)象。直流連接的方式使電路即能放大交流信號，也能放大直流信號。實(shí)施例4圖4是電路的功能仿真結(jié)果圖，該電路在常溫和低溫下都能正常工作，由于低溫反饋電阻是常溫的2.5倍，導(dǎo)致低溫的放大倍數(shù)是常溫的2.5倍，低溫的等效輸入噪聲要小于常溫，其低溫等效輸入噪聲小于1.5微伏。
權(quán)利要求
1.一種與長波紅外低阻抗光導(dǎo)探測器匹配的CMOS放大電路，其特征在于: 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IOK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(gè)電阻串聯(lián)；其雙端輸入單端輸出放大器采用正負(fù)電源供電；在負(fù)輸入端與輸出之間采用阻值高于IM歐姆的反饋電阻來實(shí)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。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種與長波紅外低阻抗光導(dǎo)探測器匹配的CMOS放大電路，該放大電路在輸入端采用橋式電路方式，適合20歐姆到200歐姆低輸入阻抗紅外光導(dǎo)探測器信號的放大，能在液氮溫度下工作。第一級雙端輸入單端輸出差分放大器采用正負(fù)電源供電，可以使輸入靜態(tài)電壓不受MOS管閾值電壓限制。與偏置電阻和探測器對應(yīng)的另一條支路采用10K歐姆與50歐姆串聯(lián)，使從另一偏置輸入端引入的噪聲抑制比達(dá)到200倍，有利減小電路總噪聲。在一定的帶寬要求下為了增加前級增益降低等效輸入噪聲，放大器的負(fù)輸入端與輸出之間采用1M歐姆的反饋電阻。橋式輸入方式、第一級放大器和第二級之間均采用直接連接方式，該放大器即能放大交流信號又能放大直流信號。
文檔編號H03F3/45GK103166585SQ20131010044
公開日2013年6月19日 申請日期2013年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月26日
發(fā)明者袁紅輝, 陳永平, 陳世軍 申請人:中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所