本發(fā)明涉及電子電路技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及光探測(cè)器、以及其中的光電前端放大器電路。

背景技術(shù)：

傳統(tǒng)的四象限光探測(cè)器組件，除了四象限探測(cè)器外，前端放大器通常采用模塊/混合集成方式，具有體積大、成本高、可靠性低等缺點(diǎn)。隨著單片工藝、電路技術(shù)的進(jìn)步，研制單片集成的多通道光電前端放大器成為可能，甚至把探測(cè)器和前端放大器全單片集成的光電一體化設(shè)計(jì)也已開(kāi)始探索。研究適合單片多通道單片集成的寬帶大動(dòng)態(tài)范圍光電前端放大器電路設(shè)計(jì)技術(shù)，對(duì)四象限光探測(cè)器組件的研制具有積極重要的意義。

光電前端放大器第一級(jí)為跨阻放大器，基本原理架構(gòu)如圖1所示，前向放大器為反相電壓放大器，電壓增益設(shè)為A，輸入/輸出端跨接一個(gè)反饋電阻R，Cin和Cout表示輸入輸出寄生電容。光電二極管產(chǎn)生的光電流信號(hào)遇到電阻R產(chǎn)生電壓信號(hào)。前向電壓放大器本身輸入阻抗為高阻，但由于反相放大的密勒等效效應(yīng)，在A遠(yuǎn)大于1的情況下，從整體跨阻放大器輸入端看入的阻抗遠(yuǎn)小于R，跨阻放大器跨阻增益近似為電阻R。

傳統(tǒng)的跨阻放大器結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中前向放大器僅由兩個(gè)晶體管構(gòu)成，晶體管M1構(gòu)成共源電壓放大器，M2構(gòu)成電壓緩沖器。由于MOS管增益相對(duì)較低，采用該結(jié)構(gòu)很難同時(shí)實(shí)現(xiàn)高增益和高速度性能。該結(jié)構(gòu)可直接改為雙極電路，只要把兩個(gè)NMOS晶體管換成NPN晶體管即可，在相近的工藝條件下，可以獲得更好的增益速度性能。

一種創(chuàng)新的針對(duì)CMOS工藝的跨阻放大器結(jié)構(gòu)如圖3所示(發(fā)表于IEEE固體電路期刊JSSC，1994年12月)，該電路前向放大器采用三級(jí)反相放大結(jié)構(gòu)以獲得更高的前向放大倍數(shù)，從而允許更高的跨阻增益。最終在0.7μm工藝節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了150kΩ的跨阻增益和18THzΩ240Mb/s的性能指標(biāo)。該電路結(jié)構(gòu)只能采用CMOS工藝實(shí)現(xiàn)，無(wú)法直接移植到雙極工藝。

發(fā)明專利(申請(qǐng)?zhí)朇N 104104339 A)基于圖3電路結(jié)構(gòu)提出一種新的跨阻放大器結(jié)構(gòu)，為擴(kuò)展放大器動(dòng)態(tài)范圍，提出了一種改進(jìn)電路結(jié)構(gòu)，如圖4所示。該專利主要針對(duì)反饋電阻通路進(jìn)行修改，并入一個(gè)MOS二極管結(jié)構(gòu)和分流結(jié)構(gòu)。該電路同樣只能采用CMOS工藝實(shí)現(xiàn)，無(wú)法直接移植到雙極工藝。

另外，固態(tài)電路國(guó)際會(huì)議ISSCC2007報(bào)道了D.Micusík,H.Zimmermann的關(guān)于脈沖跨阻放大器的論文，該電路采用0.35μmSiGeBiCMOS工藝(主要采用雙極NPN晶體管)，利用對(duì)數(shù)壓縮電路結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了112dB動(dòng)態(tài)范圍和240MHz帶寬。該電路采用單5V電源，功耗電流達(dá)78mA。ISSCC2008再次報(bào)道D.Micusík,H.Zimmermann的論文，通過(guò)兩級(jí)對(duì)數(shù)壓縮提升抗飽和輸入電流，動(dòng)態(tài)范圍提升到130dB，相應(yīng)的功耗電流進(jìn)一步增加到110mA。由于功耗電流太大，該電路并不適合單片多通道集成，所用工藝也不適合與現(xiàn)有四象限光電探測(cè)器集成。

2010年舉辦的固態(tài)電路國(guó)際會(huì)議ICSICT2010報(bào)道了黃文剛等人的單片四通道大動(dòng)態(tài)范圍光電前端放大器電路結(jié)構(gòu)，該電路采用國(guó)內(nèi)2μm標(biāo)準(zhǔn)雙極工藝，跨阻放大器采用傳統(tǒng)前向放大器結(jié)構(gòu)，反饋通道利用集成肖特基二極管進(jìn)行對(duì)數(shù)壓縮，達(dá)到了118dB的輸入動(dòng)態(tài)范圍，電源電壓±5V，單路功耗電流僅2.5mA，達(dá)到產(chǎn)品化要求。但是該產(chǎn)品帶寬只有不到5MHz，無(wú)法滿足50ns級(jí)光電流脈沖信號(hào)檢測(cè)需求，而且增益級(jí)采用運(yùn)放結(jié)構(gòu)，功耗面積相對(duì)更大。

綜上所述，現(xiàn)有光電前端放大器往往無(wú)法在實(shí)現(xiàn)高增益和高速度性能的同時(shí)還可以保證適于光電探測(cè)器集成，這是目前困擾本領(lǐng)域技術(shù)人員的一個(gè)技術(shù)難題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種光探測(cè)器及其組件和光電前端放大器電路，用于解決現(xiàn)有光電前端放大器往往無(wú)法在實(shí)現(xiàn)高增益和高速度性能的同時(shí)還可以保證適于光電探測(cè)器集成的問(wèn)題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供以下技術(shù)方案：

一種光電前端放大器電路，其可以采用三級(jí)結(jié)構(gòu)，其中：第一級(jí)放大電路的電路結(jié)構(gòu)可以包括：跨阻放大器，至少包括NPN型三極管Q1和NPN型三極管Q2，所述NPN型三極管Q1的基極和所述NPN型三極管Q2發(fā)射極分別為所述跨阻放大器的輸入端和輸出端，所述NPN型三極管Q1集電極連接于所述NPN型三極管Q2的基極并通過(guò)電阻R1連接于第一電源，所述NPN型三極管Q1發(fā)射極接地并通過(guò)電阻R2連接于所述NPN型三極管Q2的發(fā)射極，所述NPN型三極管Q2的集電極連接于所述第一電源；反饋電路，連接于所述跨阻放大器的輸入端和輸出端之間，其包括二極管D1、電阻R3、電阻R4、以及NMOSFET晶體管M1，所述二極管D1及電阻R3并聯(lián)于所述跨阻放大器的輸入端和輸出端之間，所述二極管D1的正極連接于所述跨阻放大器的輸出端，所述二極管D1的負(fù)極連接于所述跨阻放大器的輸入端；所述電阻R4和NMOSFET晶體管M1相串聯(lián)并連接在所述跨阻放大器的輸入端和輸出端之間，NMOSFET晶體管M1用作開(kāi)關(guān)，M1的柵極作為使能端。

上述電路為帶程控增益功能的前端低噪聲跨阻放大器，其跨阻增益可以反饋支路，決定跨阻放大器的跨阻增益。

優(yōu)選地，所述光電前端放大器電路還可以包括第二級(jí)放大電路，其電路結(jié)構(gòu)可以包括：共集共基電壓放大器，用于對(duì)所述跨阻放大器輸出電壓信號(hào)進(jìn)行寬帶放大，所述共集共基電壓放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)與所述第一級(jí)放大電路中的所述跨阻放大器直流耦合，且所述共集共基電壓放大器的偏置電路可輸出供特定負(fù)溫度系數(shù)的偏置電流，提供溫度補(bǔ)償能力。

優(yōu)選地，所述共集共基電壓放大器的電路結(jié)構(gòu)可以包括NPN型三極管Q3和NPN型三極管Q4，所述NPN型三極管Q3的基極和NPN型三極管Q4的集電極分別為所述共集共基電壓放大器的輸入端和輸出端，所述NPN型三極管Q3的集電極連接于所述第一電源，所述NPN型三極管Q3的發(fā)射極通過(guò)電阻R5連接于所述NPN型三極管Q4的發(fā)射極，所述NPN型三極管Q4的基極接地，所述NPN型三極管Q4的集電極還通過(guò)電阻R6連接于所述第一電源，其中，所述共集共基電壓放大器的電壓增益由R6/R5比值決定。

優(yōu)選地，所述共集共基電壓放大器的偏置電路可以包括NPN型三極管Q5和NPN型三極管Q6，所述NPN型三極管Q5的基極通過(guò)電阻R7接地、以及通過(guò)電阻R8來(lái)分別連接于所述NPN型三極管Q6的集電極和電阻R9的一端，所述電阻R9的另一端連接于所述NPN型三極管Q6的基極，所述NPN型三極管Q6的基極還通過(guò)電阻R10連接于第二電源，所述NPN型三極管Q5的集電極連接于所述NPN型三極管Q4的發(fā)射極和電阻R5之間的連線上，所述NPN型三極管Q5的發(fā)射極通過(guò)電阻R11連接于所述第二電源，所述NPN型三極管Q6的發(fā)射極連接于所述第二電源，所述第二電源為負(fù)電源電壓。本偏置電路可以提供特定負(fù)溫度系數(shù)的偏置電流。

優(yōu)選地，所述光電前端放大器電路還可以包括第三級(jí)放大電路，其電路結(jié)構(gòu)包括：電壓緩沖放大器，電路結(jié)構(gòu)為達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，其靜態(tài)工作點(diǎn)可與第二級(jí)放大電路中的所述共集共基電壓放大器直流耦合，用于實(shí)現(xiàn)高信號(hào)隔離度和大電壓驅(qū)動(dòng)能力。

優(yōu)選地，所述電壓緩沖放大器的電路結(jié)構(gòu)包括：NPN型三極管Q7、NPN型三極管Q8、NPN型三極管Q9及NPN型三極管Q10，所述NPN型三極管Q7的基極和所述NPN型三極管Q8的發(fā)射極分別作為所述電壓緩沖放大器的輸入端和輸出端，所述NPN型三極管Q7的集電極連接第三電源，所述NPN型三極管Q7的發(fā)射極連接于所述NPN型三極管Q8的基極并通過(guò)電阻R12連接于所述NPN型三極管Q8的發(fā)射極，所述NPN型三極管Q8的集電極連接于所述第三電源，所述NPN型三極管Q9的基極連接于所述NPN型三極管Q10的發(fā)射極，所述NPN型三極管Q10的基極連接于所述NPN型三極管Q10的集電極并接地，所述NPN型三極管Q9的集電極連接于所述NPN型三極管Q8的發(fā)射極，所述NPN型三極管Q9的發(fā)射極通過(guò)電阻R13連接于所述第二電源，所述第三電源分別與所述第一電源和第二電源分開(kāi)。通過(guò)本優(yōu)選電路結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)電壓信號(hào)的緩沖輸出，注意其電源電壓與前級(jí)分開(kāi)，可以避免強(qiáng)輸出信號(hào)對(duì)高靈敏度前級(jí)電路的干擾，保證整體電路的工作穩(wěn)定性。

如上所述，本發(fā)明具有以下有益效果：本發(fā)明提供了一種雙極工藝的光電前端放大器電路，適合與現(xiàn)有四象限探測(cè)器集成，可以減小四象限光電探測(cè)器的體積、功耗、成本，提升可靠性；同時(shí)其還可以提供大動(dòng)態(tài)范圍的寬帶和滿足高速光電流信號(hào)輸入的性能。

附圖說(shuō)明

圖1為跨阻放大器基本原理架構(gòu)；

圖2為傳統(tǒng)的跨阻放大器結(jié)構(gòu)；

圖3為一種1994年發(fā)表的創(chuàng)新CMOS跨阻放大器結(jié)構(gòu)；

圖4為現(xiàn)有發(fā)明專利CN 104104339 A電路結(jié)構(gòu)；

圖5為本發(fā)明提供的一種光電前端放大器電路的電路圖；

圖6為本發(fā)明提供的另一種光電前端放大器電路的電路圖；

圖7為本發(fā)明提供的又一種光電前端放大器電路的電路圖；

圖8為本發(fā)明一種光電前端放大器電路的應(yīng)用電路圖。

附圖標(biāo)號(hào)說(shuō)明

100 第一級(jí)放大電路

110 跨阻放大器

120 反饋電路

200 第二級(jí)放大電路

210 共集共基電壓放大器

220 偏置電路

300 第三級(jí)放大電路

具體實(shí)施方式

以下通過(guò)特定的具體實(shí)例說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說(shuō)明書(shū)所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)與功效。本發(fā)明還可以通過(guò)另外不同的具體實(shí)施方式加以實(shí)施或應(yīng)用，本說(shuō)明書(shū)中的各項(xiàng)細(xì)節(jié)也可以基于不同觀點(diǎn)與應(yīng)用，在沒(méi)有背離本發(fā)明的精神下進(jìn)行各種修飾或改變。需說(shuō)明的是，在不沖突的情況下，以下實(shí)施例及實(shí)施例中的特征可以相互組合。

需要說(shuō)明的是，以下實(shí)施例中所提供的圖示僅以示意方式說(shuō)明本發(fā)明的基本構(gòu)想，遂圖式中僅顯示與本發(fā)明中有關(guān)的組件而非按照實(shí)際實(shí)施時(shí)的組件數(shù)目、形狀及尺寸繪制，其實(shí)際實(shí)施時(shí)各組件的型態(tài)、數(shù)量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態(tài)也可能更為復(fù)雜。

請(qǐng)見(jiàn)圖5，本發(fā)明提供一種光電前端放大器電路，其包括以下電路結(jié)構(gòu)：

跨阻放大器110，至少包括NPN型三極管Q1和NPN型三極管Q2，所述NPN型三極管Q1的基極和所述NPN型三極管Q2發(fā)射極分別為跨阻放大器110的輸入端和輸出端，所述NPN型三極管Q1集電極連接于所述NPN型三極管Q2的基極并通過(guò)電阻R1連接于第一電源，所述NPN型三極管Q1發(fā)射極接地并通過(guò)電阻R2連接于所述NPN型三極管Q2的發(fā)射極，所述NPN型三極管Q2的集電極連接于所述第一電源；

反饋電路120，連接于所述跨阻放大器110的輸入端和輸出端之間，其包括二極管D1、電阻R3、電阻R4、以及NMOSFET晶體管M1，所述二極管D1及電阻R3并聯(lián)于所述跨阻放大器的輸入端和輸出端之間，所述二極管D1的正極連接于所述跨阻放大器的輸出端，所述二極管D1的負(fù)極連接于所述跨阻放大器的輸入端；所述電阻R4和NMOSFET晶體管M1相串聯(lián)并連接在所述跨阻放大器的輸入端和輸出端之間，NMOSFET晶體管M1用作開(kāi)關(guān)，M1的柵極作為使能端。

上述電路的工作原理在于：在跨阻放大器110的輸入的光電流脈沖信號(hào)增大至所述電阻R1上壓降達(dá)到二極管的導(dǎo)通壓降時(shí)，觸發(fā)所述二極管D1正向?qū)ㄅ月冯娮鑂1，跨阻放大器110增益下降實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)壓縮；以及在所述電阻R4和跨阻放大器110的輸出端之間還串聯(lián)有一用作開(kāi)關(guān)的NMOSFET晶體管M1，所述NMOSFET晶體管M1的源極連接于所述電阻R4，所述NMOSFET晶體管M1的漏極連接于跨阻放大器110的輸出端，通過(guò)在所述NMOSFET晶體管M1的柵極上施加使能信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)跨阻放大器110的增益調(diào)節(jié)。

在具體實(shí)施中，所述電阻R4和NMOSFET晶體管M1相串聯(lián)并連接在所述跨阻放大器的輸入端和輸出端之間的關(guān)系可以是“輸入端->M1->R->輸出端”的串聯(lián)順序，也可以是“輸入端->R->M1->輸出端”的串聯(lián)順序。

在一優(yōu)選實(shí)施例中，上述電路結(jié)構(gòu)中可以按照以下元件參數(shù)來(lái)實(shí)施：R1＝25kΩ、R2＝2kΩ、R4＝2kΩ、R3＝20kΩ。在該參數(shù)條件下，跨阻放大器110可以實(shí)現(xiàn)最大20kΩ的小信號(hào)跨阻增益。即當(dāng)輸入端的光電流信號(hào)過(guò)大(大約超過(guò)20μA)時(shí)，電阻R1上壓降達(dá)到二極管的導(dǎo)通壓降，二極管D1正向?qū)ㄅ月冯娮鑂1，跨阻放大器110增益下降實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)壓縮；NMOSFET晶體管M1用作開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)程控增益調(diào)節(jié)功能，當(dāng)柵端VC施加高電平，該晶體管M1導(dǎo)通，放大器反饋通道串入旁路電阻R4，降低了放大器小信號(hào)增益，最低跨阻增益約1kΩ。

在具體實(shí)施中，上述電路結(jié)構(gòu)可以作為光電前端放大器電路的第一級(jí)放大電路100，具體的來(lái)說(shuō)，光電前端放大器電路往往都是采用多級(jí)放大的電路結(jié)構(gòu)，一般的，在第一級(jí)放大電路100之后的放大電路作為一般的信號(hào)放大和負(fù)載匹配的目的。為此，同樣可以在上述光電前端放大器電路之后設(shè)計(jì)多級(jí)放大電路。

在一優(yōu)選實(shí)施例中，見(jiàn)圖6，上述光電前端放大器電路還可以包括第二級(jí)放大電路200，其可以包括以下電路結(jié)構(gòu)：

共集共基電壓放大器210，用于對(duì)跨阻放大器110輸出電壓信號(hào)進(jìn)行寬帶放大，共集共基電壓放大器210的靜態(tài)工作點(diǎn)與第一級(jí)放大電路100中的跨阻放大器110直流耦合，且共集共基電壓放大器210的偏置電路220可輸出供特定負(fù)溫度系數(shù)的偏置電流，提供溫度補(bǔ)償能力。

具體的，共集共基電壓放大器210的電路結(jié)構(gòu)可以包括NPN型三極管Q3和NPN型三極管Q4，所述NPN型三極管Q3的基極和NPN型三極管Q4的集電極分別為共集共基電壓放大器210的輸入端和輸出端，所述NPN型三極管Q3的集電極連接于所述第一電源，所述NPN型三極管Q3的發(fā)射極通過(guò)電阻R5連接于所述NPN型三極管Q4的發(fā)射極，所述NPN型三極管Q4的基極接地，所述NPN型三極管Q4的集電極還通過(guò)電阻R6連接于所述第一電源，其中，共集共基電壓放大器210的電壓增益由R6/R5比值決定。

更為具體的，共集共基電壓放大器210的偏置電路220至少包括NPN型三極管Q5和NPN型三極管Q6，所述NPN型三極管Q5的基極通過(guò)電阻R7接地、以及通過(guò)電阻R8來(lái)分別連接于所述NPN型三極管Q6的集電極和電阻R9的一端，所述電阻R9的另一端連接于所述NPN型三極管Q6的基極，所述NPN型三極管Q6的基極還通過(guò)電阻R10連接于第二電源，所述NPN型三極管Q5的集電極連接于所述NPN型三極管Q4的發(fā)射極和電阻R5之間的連線上，所述NPN型三極管Q5的發(fā)射極通過(guò)電阻R11連接于所述第二電源，所述NPN型三極管Q6的發(fā)射極連接于所述第二電源，所述第二電源為負(fù)電源電壓。

在具體實(shí)施中，上述第二級(jí)放大電路200提供電壓增益并滿足輸出幅度≥3V的要求。其中，電阻元件可以按照以下參數(shù)值來(lái)實(shí)施：R5＝1.5kΩ、R6＝9.5kΩ，在次條件下電壓增益大約為6倍；此外，作為其偏置電路220，在以下元件參數(shù)值下由Q5輸出的負(fù)溫度系數(shù)電流約0.9mA：R11＝350Ω、R7＝20kΩ、R8＝900、R9＝5.5kΩ、R10＝20kΩ。

在一優(yōu)選實(shí)施例中，見(jiàn)圖7，上述光電前端放大器電路還可以包括第三級(jí)放大電路300，其可以包括以下電路結(jié)構(gòu)：

電壓緩沖放大器，其靜態(tài)工作點(diǎn)可與第二級(jí)放大電路200中的共集共基電壓放大器210直流耦合，用于實(shí)現(xiàn)高信號(hào)隔離度和大電壓驅(qū)動(dòng)能力。

在具體實(shí)施中，所述電壓緩沖放大器可以為達(dá)林頓結(jié)構(gòu)。

更為具體的來(lái)說(shuō)，所述電壓緩沖放大器的電路結(jié)構(gòu)包括：NPN型三極管Q7、NPN型三極管Q8、NPN型三極管Q9及NPN型三極管Q10，所述NPN型三極管Q7的基極和所述NPN型三極管Q8的發(fā)射極分別作為所述電壓緩沖放大器的輸入端和輸出端，所述NPN型三極管Q7的集電極連接第三電源，所述NPN型三極管Q7的發(fā)射極連接于所述NPN型三極管Q8的基極并通過(guò)電阻R12連接于所述NPN型三極管Q8的發(fā)射極，所述NPN型三極管Q8的集電極連接于所述第三電源，所述NPN型三極管Q9的基極連接于所述NPN型三極管Q10的發(fā)射極，所述NPN型三極管Q10的基極連接于所述NPN型三極管Q10的集電極并接地，所述NPN型三極管Q9的集電極連接于所述NPN型三極管Q8的發(fā)射極，所述NPN型三極管Q9的發(fā)射極通過(guò)電阻R13連接于所述第二電源，所述第三電源分別與所述第一電源和第二電源分開(kāi)。

上述第三級(jí)放大電路300可以作為輸出級(jí)，其中電阻參數(shù)值可以優(yōu)選為：R12＝7kΩ、R13＝3.5kΩ，通過(guò)第三級(jí)放大電路300可以實(shí)現(xiàn)電壓信號(hào)的緩沖輸出。需要注意的是，上述第三級(jí)放大電路300的電源電壓與前級(jí)分開(kāi)，可以避免強(qiáng)輸出信號(hào)對(duì)高靈敏度前級(jí)電路的干擾，保證整體電路的工作穩(wěn)定性。

結(jié)合圖7和圖8，通過(guò)本發(fā)明一種光電前端放大器電路的應(yīng)用電路圖來(lái)說(shuō)明本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和原理。

關(guān)于電路的工作原理過(guò)程：

見(jiàn)圖8，本發(fā)明光電前端放大器電路即為圖中的U1，在輸入沒(méi)有光脈沖信號(hào)時(shí)，PIN光敏二極管只有穩(wěn)定的暗電流，電路部分工作在直流穩(wěn)定狀態(tài)。第一級(jí)放大電路100輸出電壓(Q2的發(fā)射極)約0.75V(忽略Q1基極電流在放大器反饋電阻R3上的壓降)，Q4的發(fā)射極電壓約-0.75V，因此R5上電壓約0.75V，當(dāng)R5電阻值為1.5kΩ時(shí)，其電流約0.5mA。Q5集電極吸入電流設(shè)計(jì)為0.9mA，因此Q4工作電流約0.4mA。R6電阻為9.5kΩ，因此Q4集電極輸出電壓為5-(9.5*0.4)＝1.2V，經(jīng)過(guò)輸出緩沖放大器Q7、Q8降壓后，輸出電壓約1.2-(0.75*2)＝-0.3V。

當(dāng)有光脈沖信號(hào)時(shí)，PIN光敏二極管出現(xiàn)相應(yīng)的脈沖電流，該脈沖電流方向向下，由于放大器U1的高頻等效輸入阻抗(電容C1數(shù)值較大，典型值為0.1μF，高頻下可視為短路，放大器輸入阻抗約100～200Ω)遠(yuǎn)低于偏置電阻R1的阻值(設(shè)計(jì)為3kΩ)，因此該電流大部分由放大器輸入端提供。換言之，脈沖信號(hào)大部分送給了放大器U1。如圖7，輸入端外流的脈沖電流在第一級(jí)放大電路100輸出端產(chǎn)生正電壓脈沖，該脈沖電壓經(jīng)過(guò)第二、三級(jí)放大電路放大后產(chǎn)生幅度更大的正電壓脈沖，得到最終輸出。因此總體電路實(shí)現(xiàn)了光脈沖信號(hào)到正電壓脈沖信號(hào)的轉(zhuǎn)換。電路的最大輸出電壓幅度在Q4完全關(guān)斷時(shí)達(dá)到，此時(shí)輸出電壓約5-(0.75*2)＝3.5V。因此輸出隔直后最大輸出脈沖幅度可以達(dá)到3.5-(-0.3)＝3.8V。即電路靜態(tài)工作時(shí)R6上的壓降。

由于二極管的正向壓降隨溫度會(huì)變化，因此上述分析中的0.75V只是常溫下的典型值。為了保證全溫范圍電路有足夠大的脈沖信號(hào)輸出幅度，需要保證靜態(tài)工作時(shí)R6上壓降的溫度穩(wěn)定性。由前述靜態(tài)工作點(diǎn)分析可以列出R6上壓降表達(dá)式：

$V_{R6}\≈(I_{Q5}-\frac{V_{BE4}}{R5})\×R6=(I_{Q5}\×R5-V_{BE4})\×\frac{R6}{R5}$

考慮R6、R5為同類型電阻，溫度系數(shù)匹配，其比值與溫度無(wú)關(guān)。因此只要調(diào)節(jié)Q5電流的溫度系數(shù)，使IQ5×R5溫度系數(shù)與VBE匹配(約-2mV/℃)即可。

通過(guò)調(diào)節(jié)R11、R7～R10的電阻值，可以實(shí)現(xiàn)IQ5的負(fù)溫度系數(shù)。具體而言，R9/R10比值越大，溫度系數(shù)負(fù)值越大。

當(dāng)然，采用其他電路結(jié)構(gòu)也可能實(shí)現(xiàn)特定的負(fù)溫度系數(shù)電流，如Widlar電流源等，只要溫度系數(shù)滿足要求，不影響本發(fā)明的實(shí)施效果。

關(guān)于電路帶寬的估算：

整體電路為開(kāi)環(huán)結(jié)構(gòu)，因此只需依次估算各級(jí)放大器帶寬即可估算出總體電路帶寬。

第一級(jí)放大電路100是閉環(huán)反饋放大器，回路前向增益A基本就是晶體管Q1的電壓增益，增益值近似為R1上電壓降與熱電壓UT的比值，常溫下UT≈26mV，由電路可以看出R1上電壓降約5-2*0.75＝3.5V，因此回路前向增益為A＝3.5V/26mV≈135倍。

回路主極點(diǎn)在輸入點(diǎn)，因?yàn)榇颂庪娙軨M較大，近似為PIN二極管結(jié)電容(高頻下C1可視為短路)和Q1集電結(jié)Miller電容的并聯(lián)，CM≈50pF(其中PIN二極管結(jié)電容30pF，Q1集電極電容約0.15pF，135倍Miller放大后約20pF)。

考慮增益調(diào)節(jié)MOS管斷開(kāi)情況，回路增益帶寬乘積近似為：

$GBW\≈\frac{A}{2{\mathrm{\πC}}_M{R}_3}\≈21.5MHz$

該頻率也近似為第一級(jí)放大電路100的帶寬。

當(dāng)增益調(diào)節(jié)MOS管閉合后，電阻R4和R3通路并聯(lián)，如前分析，第一級(jí)放大電路100帶寬更高。

第二級(jí)放大電路200是開(kāi)環(huán)結(jié)構(gòu)，主極點(diǎn)在Q4集電極位置，該點(diǎn)電容約0.3pF，電阻即R6＝9.5kΩ，算得放大器帶寬約55.8MHz。

輸出級(jí)為達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，帶寬更寬，不構(gòu)成總體帶寬限制。

因此整個(gè)放大器通路帶寬大于15MHz(比第一級(jí)放大電路21.5MHz略小)。

上述分析中，各節(jié)點(diǎn)電容為所用典型工藝條件下近似值，如果工藝變化，帶寬會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化，因此本電路結(jié)構(gòu)具備通過(guò)改進(jìn)工藝參數(shù)進(jìn)一步提升信號(hào)帶寬的潛力。

假設(shè)PIN光敏二極管在某光波長(zhǎng)下的響應(yīng)度為0.1μA/μW，以下例舉幾個(gè)實(shí)例來(lái)說(shuō)明本電路具備的效果：

第一組信號(hào)：峰值功率為10μW的光脈沖，脈沖寬度為50ns，脈沖上升下降時(shí)間按理想估計(jì)(非常小忽略不計(jì)，假設(shè)帶寬無(wú)限大)。經(jīng)過(guò)PIN光敏二極管轉(zhuǎn)換后，變?yōu)?0ns寬的電流脈沖，該脈沖電流信號(hào)送入本專利電路輸入端，脈沖電流流向向外，脈沖電流峰值大小為1μA，上升下降時(shí)間足夠快忽略不計(jì)。設(shè)此時(shí)第一級(jí)放大電路中的增益控制MOS管關(guān)閉，則跨阻放大器110反饋電阻即20kΩ，帶寬約20MHz。輸入電流信號(hào)經(jīng)過(guò)跨阻放大器110放大后輸出正電壓脈沖信號(hào)，脈沖峰值約20mV，脈沖上升下降時(shí)間約10ns(按20％～80％計(jì))，脈沖寬度約50ns。該電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)第二級(jí)放大電路200放大約6倍后，正電壓脈沖峰值達(dá)到120mV，脈沖寬度仍約50ns。該信號(hào)經(jīng)過(guò)輸出緩沖器緩沖輸出，考慮緩沖器驅(qū)動(dòng)150Ω負(fù)載時(shí)的電壓衰減，最終輸出脈沖峰值約100mV，脈沖20％～80％上升下降時(shí)間約12～15ns，脈沖寬度約50ns。

第二組信號(hào)：峰值功率為1000μW的光脈沖，脈沖寬度為50ns，脈沖上升下降時(shí)間按理想估計(jì)(非常小忽略不計(jì)，假設(shè)帶寬無(wú)限大)。經(jīng)過(guò)PIN光敏二極管轉(zhuǎn)換后，變?yōu)?0ns寬的電流脈沖，該脈沖電流信號(hào)送入本專利電路輸入端，脈沖電流流向向外，脈沖電流峰值大小為100μA，上升下降時(shí)間足夠快忽略不計(jì)。設(shè)此時(shí)第一級(jí)放大電路增益控制MOS管關(guān)閉，由于輸入信號(hào)幅度較大，如果不考慮反饋二極管，輸出脈沖信號(hào)峰值將達(dá)到2000mV，該電壓施加在反饋二極管正向，該二極管正向壓降在常規(guī)小電流下只有0.5～0.7V(具體值與工藝細(xì)節(jié)有關(guān))，因此反饋二極管必然導(dǎo)通鉗位，限制輸出電壓脈沖幅度到0.5～0.7V。由于反饋二極管導(dǎo)通意味著反饋通道阻抗下降，第一級(jí)放大電路帶寬會(huì)有所提升，因此輸出脈沖上升下降時(shí)間略小于10ns(按20％～80％計(jì))，脈沖寬度約50ns。該電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)第二級(jí)放大電路200放大約6倍后，正電壓脈沖峰值達(dá)到3～3.8V(第二級(jí)放大電路200最大輸出幅度受限為3.8V)，脈沖寬度約50～70ns(由于信號(hào)鉗位電荷存儲(chǔ)效應(yīng)，脈沖寬度略微展寬)。該信號(hào)經(jīng)過(guò)輸出緩沖器緩沖輸出，考慮緩沖器驅(qū)動(dòng)150Ω負(fù)載時(shí)的電壓衰減，最終輸出脈沖峰值約2.5～3.3V，脈沖20％～80％上升下降時(shí)間約8～15ns，脈沖寬度約50～80ns。

第三組信號(hào)：峰值功率為3000μW的光脈沖，脈沖寬度為50ns，脈沖上升下降時(shí)間按理想估計(jì)(非常小忽略不計(jì)，假設(shè)帶寬無(wú)限大)。經(jīng)過(guò)PIN光敏二極管轉(zhuǎn)換后，變?yōu)?0ns寬的電流脈沖，該脈沖電流信號(hào)送入本專利電路輸入端，脈沖電流流向向外，脈沖電流峰值大小為300μA。設(shè)此時(shí)第一級(jí)放大電路增益控制MOS管開(kāi)啟，因此第一級(jí)放大電路增益約1.5kΩ，帶寬大于20MHz，輸出電壓脈沖幅度450mV，輸出脈沖上升下降時(shí)間小于10ns(按20％～80％計(jì))，脈沖寬度約50ns。該電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)第二級(jí)放大電路200放大約6倍后，正電壓脈沖峰值達(dá)到2.7V，脈沖寬度約50ns。該信號(hào)經(jīng)過(guò)輸出緩沖器緩沖輸出，考慮緩沖器驅(qū)動(dòng)150Ω負(fù)載時(shí)的電壓衰減，最終輸出脈沖峰值約2.3V，脈沖20％～80％上升下降時(shí)間約8～12ns，脈沖寬度約50ns。

由上述工作過(guò)程分析可以看出，即使輸入較大信號(hào)，電路內(nèi)部也沒(méi)有晶體管工作在飽和狀態(tài)，避免電路飽和引入的脈沖寬度失真問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了大動(dòng)態(tài)范圍性能。

本發(fā)明采用BiCMOS工藝制造，如不需要程控增益功能(去掉M1支路)，也可采用標(biāo)準(zhǔn)雙極工藝實(shí)現(xiàn)，只需要NPN晶體管。

當(dāng)采用2μm標(biāo)準(zhǔn)雙極工藝制造時(shí)，整體電路最高跨阻增益約100kΩ(重負(fù)載150Ω)。帶寬約15MHz。如果采用更先進(jìn)的工藝(寄生電容更小，特征頻率更高)，預(yù)計(jì)可以獲得更高的帶寬。

本發(fā)明的特點(diǎn)在于提供了一種寬帶大動(dòng)態(tài)范圍的光電前端放大器結(jié)構(gòu)，具有較簡(jiǎn)單的電路結(jié)構(gòu)，無(wú)需大電容等單元器件，適合與現(xiàn)有四象限探測(cè)器單片工藝集成，可以大幅度減小四象光電限探測(cè)器體積、功耗、成本，提升可靠性；同時(shí)其滿足高速光電流信號(hào)輸入的要求。

上述實(shí)施例僅例示性說(shuō)明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識(shí)者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。