專利名稱：一種與紅外低阻抗光導探測器匹配的cmos放大電路的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種CMOS電路設計方法，特別涉及一種能與長波紅外低阻抗光導探測器匹配的低溫下工作的CMOS放大電路。
背景技術：
目前，波長在12微米以上波長的探測器仍以HgCdTe光導型探測器為主，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。長波光導探測器之所以未實現焦平面集成，主要原因之一是沒有合適的光導型焦平面R0IC。為了實現焦平面集成，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，即光導探測器電路也工作在低溫。隨著IC技術的發(fā)展，CMOS電路的設計和加工能力得到大幅提高，研制適用于HgCdTe光導型焦平面的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型焦平面器件，借鑒其ROIC的設計思路，可以嘗試研制HgCdTe長波光導焦平面的ROIC0

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是克服現有條件的不足，設計了一種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)明解決的技術問題是提供一種能適應低輸入阻抗光導型探測器的低溫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IM歐姆的反饋電阻來實現第一級放大；第二級放大米用正端放大方式，放大倍數高于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差分放大，反饋電阻設計為IM歐姆，在保證了足夠大的放大倍數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。由于與探測器對應的橋設計為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。本發(fā)明的特點是:該結構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象。本發(fā)明包含了以下測試結果:I經過測試，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。光導探測器、R4、R7、R8構成橋式電路。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果圖。左邊為交流信號仿真，右邊為瞬態(tài)信號仿真結果。OUTl為第一級輸出信號，0UT2為第二級輸出信號。
具體實施例方式實施例1圖1為放大器的橋式方式和第一級放大。R4與紅外光導探測器相連，本電路設計為IOK歐姆，若要加大或減小流過光導探測器的電流，可以加大或減小R4的電阻。R7與R4對應，其阻值應設計為相等，本電路也設計為IOK歐姆。R8與光導探測器對應，大小設計與探測器的電阻大小相當，本電路設計為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探測器信號的放大。當紅外光導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端引入的噪聲到達放大器輸入端時其噪聲就被抑制了 200倍，R7和R8的差值越大對噪聲抑制越有好處，但減小了通過調節(jié)Vbias電壓來匹配光導探測器內阻的范圍。為了保證合適的放大倍數，本電路的反饋電阻設計為IM歐姆，若要增加前級放大倍數，可以增大反饋電阻大小，但可能引起放大器帶寬的變小。本電路反饋電容設計為2PF，該電容大小可以根據CMOS工藝的具體情況做適當的調整，目的是保證放大器在正常工作時相位裕度補償，消除高頻振蕩，起穩(wěn)定電路的作用。實施例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，本電路Rll設計為100K歐姆，R12設計為IOK歐姆。放大倍數為10倍。若要增加第二級的放大倍數，可以改變Rll與R12不同的電阻比值。IN負端與OUT之間的反饋電容設計為2PF，該電容起第二電路的穩(wěn)定作用，不同的放大倍數應采用不同的反饋電容來進行補償。實施例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，由于電容的微小漏電會使電容耦合引起的直流靜態(tài)點緩慢漂移現象。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。實施例4圖4是電路的功能仿真結果圖，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，導致低溫的放大倍數是常溫的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。
權利要求
1.一種與長波紅外低阻抗光導探測器匹配的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IM歐姆的反饋電阻來實現第一級放大；第二級放大采用正端放大方式，放大倍數高于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:中國科學院上海技術物理研究所