本發(fā)明涉及本發(fā)明涉及集成電路領(lǐng)域，具體為一種光電檢測電路。

背景技術(shù)：

光電檢測技術(shù)是連接自然模擬光信號與數(shù)字電路的橋梁，通過光電傳感器將將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，再通過模數(shù)轉(zhuǎn)換電路將電信號進(jìn)行采樣量化處理輸出數(shù)字信號，最后通過數(shù)字電路進(jìn)行后續(xù)處理。光電轉(zhuǎn)換電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路作為光電檢測技術(shù)的重要組成部分，其性能直接影響檢測效果。

圖1為傳統(tǒng)的光電檢測電路的電路圖，該電路包括光電二極管110、電阻120、參考電壓模塊130和比較器140；電阻120將光電二極管110所產(chǎn)生的光電流轉(zhuǎn)換成電壓信號Vlight，其電壓值為光電流值與電阻阻值的乘積，參考電壓模塊130輸出參考電壓信號VREF，通過比較器實現(xiàn)VREF與Vlight信號的比較，輸出檢測結(jié)果。電路中需要使用電阻和參考電壓模塊。對于微弱的光信號，光電二極管產(chǎn)生幾nA或幾十nA的光電流，需要通過電阻放大到幾十mV，電阻阻值為兆歐級。

傳統(tǒng)的光電檢測電路中，光敏器件通常采用外部分離元件實現(xiàn)，這種方法使得光電檢測電路容易受到外界入侵和干擾，這種光電檢測電路無法應(yīng)用于芯片安全防護(hù)領(lǐng)域。參考專利CN 103162821 B中提出在標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝下采用雙極型晶體管(三極管)替代光電二極管實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換功能，采用晶體管的的EB結(jié)(發(fā)射極與基極之間的PN結(jié))作為光電轉(zhuǎn)換部件，從專利中描述的電路連接關(guān)系看，光電三極管采用了二極管連接的應(yīng)用方式。

傳統(tǒng)的光電檢測電路中，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路將光敏器件產(chǎn)生的光電流轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸出。參考專利CN 102970076 B中，通過增益放大電路、調(diào)整電阻、MOS開關(guān)和反饋電阻，實現(xiàn)光電流到電壓的轉(zhuǎn)換，通過控制單元控制MOS開關(guān)實現(xiàn)不同光強的檢測功能。MOS開關(guān)串聯(lián)在光電二極管和電阻支路上，由于MOS器件的在關(guān)斷情況下，IDS(源極和漏極之間的漏電流)隨溫度指數(shù)增加，對于在探測微弱光信號時，光電探測器轉(zhuǎn)換的光電流大小在pA級及以下級時，MOS器件在關(guān)斷的情況下，漏電流為幾十pA，為光電流的10倍，可以認(rèn)為MOS器件處于常開而不受控制。

傳統(tǒng)的光電檢測電路，通常采用單端放大實現(xiàn)光電檢測，參考專利CN 103162821 B中，光電三極管和PMOS支路很容易受到電源電壓干擾。參考專利CN 102970076 B中，電阻和光電二極管形成的支路很容易受到數(shù)字信號的干擾，尤其是在微弱光檢測應(yīng)用時。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種在標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝下實現(xiàn)的高效光電轉(zhuǎn)換器件，該光電器件的版圖面積約為傳統(tǒng)光電器件的十分之一，且本發(fā)明提出的差分方式光電檢測電路可以有效抑制干擾信號。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的：一種光電檢測電路，它包括用于將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的三極管單元，用于提供偏置電流的可配置參考電流電路，用于提供差分電流的差分電流生成電路，以及用于整形輸出的差分轉(zhuǎn)單端輸出整形電路；配置參考電流電路連接差分電流生成電路，差分電流生成電路分別與三極管單元相連，差分轉(zhuǎn)單端輸出整形電路連接到差分電流生成電路與三極管單元的公共節(jié)點上。

作為優(yōu)選方式，所述的三極管單元包括第一三極管和第二三極管，第一三極管為光電三極管，光電三極管集電極接地，基極懸空，發(fā)射極接差分電流生成電路的第一輸出端和差分轉(zhuǎn)單端輸出整形電路的負(fù)向輸入端，第二三極管集電極和基極接地，發(fā)射極接差分電流生成電路的第二輸出端和差分轉(zhuǎn)單端輸出整形電路的正向輸入端；

或者三極管單元包括第一三極管和MOS管，第一三極管為光電三極管，光電三極管集電極接地，基極懸空，發(fā)射極接差分電流生成電路和差分轉(zhuǎn)單端輸出整形電路，MOS管源極接電源，柵極和漏極短接并連接到差分轉(zhuǎn)單端輸出整形電路。

作為優(yōu)選方式，所述的光電三極管通過標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝實現(xiàn)，對于P襯底工藝，通過P型襯底、N阱和P+注入形成光電三極管；對于N襯底工藝，通過N型襯底、P阱和N+注入形成光電三極管。

作為優(yōu)選方式，所述的三極管單元中兩個三極管的比例為1:1，光電三極管在版圖設(shè)計時，基極所在區(qū)域，需要增加金屬阻擋層和Salicide阻擋層以保證光信號能夠直接照射到三極管的基極區(qū)域。

作為優(yōu)選方式，所述的配置參考電流電路由若干PMOS支路組成，每條PMOS支路由上PMOS管和下PMOS管組成，所有上PMOS管的源極連接電源電壓，柵極連接第一偏置電壓信號，所有上PMOS管的漏極分別連接其對應(yīng)下PMOS管的源極，所有下PMOS管的柵極連接邏輯控制信號，所有下PMOS管的漏極連在一起構(gòu)成配置參考電流電路的輸出端。

作為優(yōu)選方式，所述的差分電流生成電路由左PMOS管和右PMOS管組成，左PMOS管和右PMOS管的源極短接并連接配置參考電流電路的輸出端，柵極連在一起并與第二偏置電壓信號相連，漏極分別輸出差分電流信號I-和I+。

作為優(yōu)選方式，所述的差分轉(zhuǎn)單端輸出整形電路包括第一PMOS管、第二PMOS管、第一NMOS管和第二NMOS管，第一PMOS管和第二PMOS管的源極接電源，柵極短接，第一PMOS管的柵極和漏極短接，并連接第一NMOS管的漏極，第二PMOS管的漏極與第二NMOS管的漏極相連作為輸出信號，第一NMOS管和第二NMOS管的柵極連接差分輸入信號，源極接地。

作為優(yōu)選方式，所述的配置參考電流電路由若干NMOS支路組成，每條NMOS支路由上NMOS管和下NMOS管組成，所有下NMOS管的源極接地，柵極連接第一偏置電壓信號，漏極分別連接對應(yīng)上NMOS管的源極，所有上NMOS管的柵極連接邏輯控制信號，漏極連在一起構(gòu)成配置參考電流電路的輸出端。

作為優(yōu)選方式，所述的差分電流生成電路由2M條NMOS支路和M-1位反相器組成，將2M條NMOS支路分為兩個組，第一組和第二組均含有M條支路，每個組中均有一條支路僅含單獨NMOS管，其余M-1條支路的每條支路均由上NMOS管和下NMOS管組成，第二偏置電壓信號連接兩個單獨NMOS管以及兩組下NMOS管的柵極，M-1位邏輯控制信號分別按位連接第一組上NMOS管的柵極，M-1位邏輯控制信號經(jīng)過M-1位反相器反相后分別按位連接第二組上NMOS管的柵極，第一組的單獨NMOS管、下NMOS管以及第二組的單獨NMOS管、下NMOS管的源極短接在一起并連接到配置參考電流電路的輸出端，第一組下NMOS管的漏極分別連接相應(yīng)的上NMOS管的源極，第一組上NMOS管的漏極與第一組單獨NMOS管的漏極短接連接到第一節(jié)點，第二組下NMOS管的漏極分別連接相應(yīng)的上NMOS管的源極，第二組上NMOS管的漏極與第二組單獨NMOS管的漏極短接連接到第二節(jié)點。

作為優(yōu)選方式，所述的差分轉(zhuǎn)單端輸出整形電路包括第一PMOS管、第二PMOS管、第一NMOS管和第二NMOS管，第一NMOS管和第二NMOS管的源極接地，柵極短接，第一NMOS管的柵極和漏極短接，并連接第一PMOS管的漏極，第二NMOS管的漏極與第二PMOS管的漏極相連作為輸出信號，第一PMOS管和第二PMOS管的柵極連接差分輸入信號，源極接電源

本發(fā)明的有益效果是：整體電路采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝實現(xiàn)，電路結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定可靠，電路采用差分結(jié)構(gòu)，有效提高了電路的抗干擾能力，可應(yīng)用芯片安全防護(hù)領(lǐng)域，也可用于光纖通信領(lǐng)域。本光電檢測電路只包括光電三極管、參考電流電路、差分電流電路和輸出電路，傳統(tǒng)光電檢測電路在實現(xiàn)pA級光電流檢測時需要使用千兆歐級電阻實現(xiàn)信號放大，大電阻的使用一方面增大了電路的版圖面積，另一方面電阻產(chǎn)生的熱噪聲會嚴(yán)重干擾電路檢測效果。本發(fā)明無需電阻和運算放大器，降低了電路的復(fù)雜度，有效減小電路面積和成本。該光電檢測電路采用差分電路結(jié)構(gòu)，能有效提高電路的抗干擾性能，在微弱光檢測的應(yīng)用中，電路能夠有效防止微弱光電流受到干擾。該光電檢測電路中的光電三極管運用了三極管的放大特性，在標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝下，如果輸出相同的光電流，其面積約為光電二極管的十分之一。

附圖說明

圖1為傳統(tǒng)的光電檢測電路的電路圖；

圖2為本發(fā)明的一種光電檢測電路；

圖3為本發(fā)明實施例采用的光電三極管的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明實施例采用的光電三極管的等效電路圖；

圖5為本發(fā)明實施例一提供的光電檢測電路的電路圖；

圖6為本發(fā)明實施例二提供的光電檢測電路的電路圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖進(jìn)一步詳細(xì)描述本發(fā)明的技術(shù)方案，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不局限于以下所述。

實施例一：

如圖2～圖5所示，其中圖2是本發(fā)明的一種光電檢測電路。該光電檢測電路包括用于將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的三極管單元，用于提供偏置電流的可配置參考電流電路210，用于提供差分電流的差分電流生成電路220，用于整形輸出的差分轉(zhuǎn)單端輸出電路230。

三極管單元中光電三級管301集電極接地，基極分別懸空，發(fā)射極接差分電流生成電路220的A端和差分轉(zhuǎn)單端輸出電路230的負(fù)向輸入端，三級管302集電極和基極接地，發(fā)射極接差分電流生成電路220的B端和差分轉(zhuǎn)單端輸出電路230的正向輸入端。

可配置參考電流電路210連接差分電流生成電路220。

在本發(fā)明所述的一種光電檢測電路，所述光電三級管300通過標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝實現(xiàn)，對于P襯底工藝，通過P型襯底、N阱和P+注入形成光電三極管。對于N襯底工藝，通過N型襯底、P阱和N+注入形成光電三極管。

在本發(fā)明所述的一種光電檢測電路，所述三級管單元中兩個三極管的比例為1：1，三極管301在版圖設(shè)計時，基極所在區(qū)域，需要增加金屬阻擋層和Salicide阻擋層(阻擋產(chǎn)生金屬化合物)以保證光信號能夠直接照射到三極管的基極區(qū)域。

圖3和圖4是本發(fā)明提供的光電三級管的示意圖，310為光電三極管的截面圖，由Psub、Nwell和P+形成，其中P+和Nwell構(gòu)成的PN結(jié)為發(fā)射結(jié)，P+為光電三極管的發(fā)射極，Nwell與Psub構(gòu)成的PN為集電結(jié)，Psub為光電三極管的集電極，Nwell為光電三極管的基極?？梢钥闯龉怆娙龢O管的感光區(qū)域為集電結(jié)，位于基極區(qū)域。320為光電三極管等效電路圖，在基極與集電極直接額外增加了一個光電二極管。當(dāng)光電三極管未受到光照時，由于基極浮空沒有基極電流，所以從發(fā)射極看到的電流為0，當(dāng)光電三極管受到光照時，基極產(chǎn)生光電流I_lingt,由三極管的放大特性，從發(fā)射極看到的電流為(1+β)I_light。所以，在標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝下，本發(fā)明提出的光電三極管的光電效率約為光電二極管的10倍，產(chǎn)生相同的光電流的情況下，光電三極管的面積約為光電二極管的十分之一。

圖5是本發(fā)明提供的光電檢測電路的電路圖，電路由可配置參考電流電路210、差分電流生成電路220、光電三極管300和差分轉(zhuǎn)單端輸出電路230組成。其中可配置參考電流電路210由PMOS管411、412…41N和421、422…42N組成，PMOS管411、412…41N的源極連接電源電壓，柵極連接偏置電壓信號VB1,漏極分別連接421、422…42N的源極，PMOS管421、422…42N的柵極連接N位邏輯控制信號CTRL_IB信號，漏極連在一起輸出。當(dāng)421的柵極信號為低電平時，PMOS管421和411支路開啟，輸出偏置電流I，當(dāng)421的柵極信號為高電平時，PMOS管421和411支路斷開，輸出偏置電流0，所以可配置參考電流電路210輸出偏置電流由CTRL_IB信號控制，電流值可表示為I_B＝(N-CTRL_IB)I。差分電流生成電路220由PMOS管431和432組成，PMOS管431和432的源極短接并連接輸入電流信號，柵極端接連接輸入偏置電壓信號VB2，漏極分別輸出差分電流信號I-和I+，PMOS管431和432的尺寸一樣，所以輸出差分電流I-和I+相等。其中光電三極管300中，光電三級管301為PNP型晶體管，集電極接地，基極分別懸空，發(fā)射極輸入差分電流信號I-，三級管302為PNP型晶體管，集電極和基極接地，發(fā)射極輸入差分電流信號I+，差分轉(zhuǎn)單端輸出電路230由PMOS管441、442和NMOS管443、444組成，PMOS管441、442的源極接電源，柵極短接，441的柵極和漏極短接，并連接NMOS管443的漏極，442的漏極與NMOS管444的漏極相連作為輸出信號，NMOS管443、444的柵極連接差分輸入信號，源極接地。

當(dāng)光電三極管300未受到光照時，光電三極管301產(chǎn)生的光電流為0，三極管302基極接地，三極管302流過的電流為可配置參考電流電路210輸出的電流I_B，A節(jié)點電位高于B節(jié)點電位，差分轉(zhuǎn)單端輸出電路230輸出高電平。當(dāng)光電三極管300受到光照時，光電三極管301產(chǎn)生的光電流為I_light，三極管302基極接地，三極管302流過的電流為I_bjt，當(dāng)I_light<I_B/2時，I_bjt＝I_B-I_light，此時PMOS管431工作在線性區(qū)，A節(jié)點電位高于B節(jié)點電位，差分轉(zhuǎn)單端輸出電路230輸出高電平。當(dāng)I_light>I_B/2時，I_bjt＝I_B/2，此時PMOS管431的漏端被拉低，A節(jié)點電位低于B節(jié)點電位，差分轉(zhuǎn)單端輸出電路230輸出低電平。

電路采用差分結(jié)構(gòu)，當(dāng)電路受到來自電源干擾信號，A、B兩點的會隨干擾信號同步變化，A、B兩點的電壓差值保持不變，差分轉(zhuǎn)單端輸出電路230輸出電平不受影響。

實施例二：

如圖2～圖4以及圖6所示，其中圖2是本發(fā)明的一種光電檢測電路。該光電檢測電路包括用于將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的三極管單元，用于提供偏置電流的可配置參考電流電路210，用于提供差分電流的差分電流生成電路220，用于整形輸出的差分轉(zhuǎn)單端輸出電路230。

三極管單元中光電三級管301集電極接地，基極分別懸空，發(fā)射極接差分電流生成電路220的A端和差分轉(zhuǎn)單端輸出電路230的負(fù)向輸入端，三級管302集電極和基極接地，發(fā)射極接差分電流生成電路220的B端和差分轉(zhuǎn)單端輸出電路230的正向輸入端。

可配置參考電流電路210連接差分電流生成電路220。

在本發(fā)明所述的一種光電檢測電路，所述光電三級管300通過標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝實現(xiàn)，對于P襯底工藝，通過P型襯底、N阱和P+注入形成光電三極管。對于N襯底工藝，通過N型襯底、P阱和N+注入形成光電三極管。

在本發(fā)明所述的一種光電檢測電路，所述三級管單元中兩個三極管的比例為1：1，三極管301在版圖設(shè)計時，基極所在區(qū)域，需要增加金屬阻擋層和Salicide阻擋層(阻擋產(chǎn)生金屬化合物)以保證光信號能夠直接照射到三極管的基極區(qū)域。

圖3和圖4是本發(fā)明提供的光電三級管的示意圖，310為光電三極管的截面圖，由Psub、Nwell和P+形成，其中P+和Nwell構(gòu)成的PN結(jié)為發(fā)射結(jié)，P+為光電三極管的發(fā)射極，Nwell與Psub構(gòu)成的PN為集電結(jié)，Psub為光電三極管的集電極，Nwell為光電三極管的基極?？梢钥闯龉怆娙龢O管的感光區(qū)域為集電結(jié)，位于基極區(qū)域。320為光電三極管等效電路圖，在基極與集電極直接額外增加了一個光電二極管。當(dāng)光電三極管未受到光照時，由于基極浮空沒有基極電流，所以從發(fā)射極看到的電流為0，當(dāng)光電三極管受到光照時，基極產(chǎn)生光電流I_lingt,由三極管的放大特性，從發(fā)射極看到的電流為(1+β)I_light。所以，在標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝下，本發(fā)明提出的光電三極管的光電效率約為光電二極管的10倍，產(chǎn)生相同的光電流的情況下，光電三極管的面積約為光電二極管的十分之一。

圖6是本發(fā)明一實施例提供的光電檢測電路的電路圖，電路由可配置參考電流電路210、差分電流生成電路220、光電三極管300和差分轉(zhuǎn)單端輸出電路230組成。其中可配置參考電流電路210由NMOS管511、512…51N和521、522…52N組成，NMOS管511、512…51N的源極接地，柵極連接偏置電壓信號VB1,漏極分別連接521、522…52N的源極，PMOS管521、522…52N的柵極連接N位邏輯控制信號CTRL_IB信號，漏極連在一起輸出。當(dāng)521的柵極信號為高電平時，NMOS管521和511支路開啟，輸出偏置電流I，當(dāng)521的柵極信號為低電平時，NMOS管521和511支路斷開，輸出偏置電流0，所以可配置參考電流電路210輸出偏置電流由CTRL_IB信號控制，電流值可表示為I_REF＝CTRL_IB×I。差分電流生成電路220由NMOS管531、532…53M，542…54M，551、552…55M，562…56M和M-1位反相器571組成，偏置電壓信號VB2連接在NMOS管531、532…53M和551、552…55M的柵極，M-1位邏輯控制信號CTRL_IREF分別按位連接NMOS管542…54M的柵極，M-1位邏輯控制信號CTRL_IREF經(jīng)過M-1位反相器571反相后分別按位連接NMOS管562…56M的柵極，NMOS管531、532…53M和551、552…55M源極短接并連接到可配置參考電流電路210，532…53M的漏極分別連接542…54M的源極，542…54M的漏極與531的漏極短接連接到A節(jié)點，562…56M的漏極分別連接572…57M的源極，572…57M的漏極與561的漏極短接連接到B節(jié)點。當(dāng)542的柵極信號為高電平時，NMOS管532和542支路開啟，此時，對應(yīng)的562的柵極為低電平，NMOS管552和562支路斷開，A節(jié)點電流增加I，B節(jié)點電流減小I。當(dāng)542的柵極信號為低電平時，NMOS管532和542支路斷開，此時，對應(yīng)的562的柵極為高電平，NMOS管552和562支路開啟，A節(jié)點電流減小I，B節(jié)點電流增加I。差分電流生成電路輸出兩支路電流可通過CTRL_IREF調(diào)節(jié)比例關(guān)系，可以由公式I_A/I_B＝(CTRL_IREF+1)/(M-CTRL_IREF)。光電三極管300中，光電三級管301為NPN型晶體管，集電極接地，基極分別懸空，發(fā)射極連接到A節(jié)點，PMOS管501源極連接電源，柵極和漏極短接并連接到B節(jié)點。差分轉(zhuǎn)單端輸出電路230由PMOS管581、582和NMOS管583、584組成，NMOS管583、584的源極接地，柵極短接，583的柵極和漏極短接，并連接PMOS管581的漏極，584的漏極與PMOS管582的漏極相連作為輸出信號，PMOS管581、582的柵極連接差分輸入信號，源極接電源。

當(dāng)光電三極管300未受到光照時，光電三極管301產(chǎn)生的光電流為0，PMOS管501流過的電流為可配置參考電流電路210輸出的電流I_REF，A節(jié)點電位低于B節(jié)點電位，差分轉(zhuǎn)單端輸出電路230輸出高電平。當(dāng)光電三極管300受到光照時，光電三極管301產(chǎn)生的光電流為I_light，PMOS管501流過的電流I_MOS，當(dāng)I_light<I_REF(CTRL_IREF+1)/M時，I_bjt＝I_B-I_light，A節(jié)點電位低于B節(jié)點電位，差分轉(zhuǎn)單端輸出電路230輸出高電平。當(dāng)I_light>I_REF(CTRL_IREF+1)/M時，A節(jié)點電位高于B節(jié)點電位，差分轉(zhuǎn)單端輸出電路230輸出低電平。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，應(yīng)當(dāng)指出的是，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。