橋式輸入電阻負(fù)反饋的cmos前放電路的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本專利涉及一種CMOS電路，特別涉及橋式輸入電阻負(fù)反饋的CMOS前放電路。
【背景技術(shù)】
[0002] 在航天遙感領(lǐng)域，紅外探測器組件是紅外成像系統(tǒng)的核心元器件，光導(dǎo)型紅外探 測器因其在長波領(lǐng)域具有很大的優(yōu)勢(shì)，所以大部份長波紅外探測使用光導(dǎo)型紅外探測器， 但其內(nèi)阻很低，一般低于100歐姆，且工作在液氮低溫，這樣就對(duì)與該類探測器互連的電路 提出了更高的要求，要求電路即能與低阻抗探測器匹配，也能在液氮低溫下工作。目前大部 分的長波光導(dǎo)紅外探測器信號(hào)讀出采用的是探測器與電路分開的設(shè)計(jì)方法，探測器在低溫 下工作，電路在常溫下工作，信號(hào)在傳輸過程中極容易引人干擾，不利于探測系統(tǒng)性能的提 尚。
[0003] 為實(shí)現(xiàn)高性能的探測和讀出，要求長波光導(dǎo)探測器與電路近距離連接，所設(shè)計(jì)的 電路也能在低溫下工作，但目前集成電路的設(shè)計(jì)大都采用CMOS電路，且其內(nèi)阻較高，為了 實(shí)現(xiàn)高阻CMOS電路與低阻抗探測器的匹配，需要設(shè)計(jì)一種新型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，本電路 采用了一種橋式輸入電阻負(fù)反饋的CMOS前放電路很好地解決了這一問題。該電路不僅僅 適用長波光導(dǎo)探測器信號(hào)的高性能讀出，也適用于其它低阻抗的微小電阻變化的測量，對(duì) 大規(guī)模的長波紅外焦平面探測技術(shù)提供了重要的技術(shù)基礎(chǔ)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本專利提出了一種CMOS前放電路，在輸入部分采用橋式輸入方式，克服了現(xiàn)有的 CMOS電路與低阻抗探測器不匹配的問題，該電路適合100歐姆以下的低阻抗探測器信號(hào)的 放大，也能在液氮低溫下能正常工作，這樣CMOS前放電路與探測器互連后都能在液氮低溫 下正常工作，克服了現(xiàn)在的探測器在低溫下工作，電路在常溫下工作，信號(hào)在傳輸過程中極 容易引人干擾的缺點(diǎn)。
[0005] 其工作原理為：電路輸入端為平衡橋式方式，低阻抗探測器電阻的微小變化使橋 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。不同反饋電阻的設(shè)置 能滿足不同的帶寬要求和不同的等效輸入噪聲，在保證放大器帶寬的情況下盡可能使用大 的反饋電阻來降低電路的等效輸入噪聲。增大偏置電流能增加探測器的信號(hào)，但如果流過 探測器的電流太大，會(huì)使探測器發(fā)熱加劇，提高系統(tǒng)制冷要求，但太小的電流會(huì)使探測器產(chǎn) 生的電壓信號(hào)太小，不利于信號(hào)的高性能讀出，所以偏置電阻設(shè)計(jì)為1K歐姆，±1.5伏到 ±5伏供電時(shí)流過探測器的電流為1. 5毫安到5毫安。
[0006] 本專利的技術(shù)解決方案是：
[0007] 在輸入部分采用平衡橋式輸入結(jié)構(gòu)，輸入部分的兩條橋式支路均采用1K歐姆偏 置電阻，雙端輸入單端輸出放大器采用正負(fù)電源供電；差分放大器的負(fù)輸入端與輸出端之 間采用可供選擇的5M、2M或1M歐姆的反饋電阻，其特點(diǎn)是：
[0008] a)在圖1中，R4、R5、探測器和盲元構(gòu)成橋式輸入結(jié)構(gòu)，R4與紅外光導(dǎo)探測器相連， 形成一條通路，R5與盲元相連，形成另一條通路，兩條通路構(gòu)成平衡橋式結(jié)構(gòu)。R5與R4對(duì) 應(yīng)，其阻值相等，本電路設(shè)計(jì)為1K歐姆，在探測器和盲元電阻都小于100歐姆的情況下，從 偏置電壓輸入端引入的噪聲抑制比大于20dB;
[0009] b)圖2為差分放大器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。采用差分輸入的一級(jí)折疊共源共柵結(jié)構(gòu)。 其中PM7和PM8是輸入對(duì)管，？117、？118、匪4、匪5構(gòu)成差分輸入的共源共柵結(jié)構(gòu)，？114、？115為 差分輸出的有源負(fù)載，NM6、NM7給共源共柵提供電流源，In-、In+為差分運(yùn)算放大器的正負(fù) 輸入端。匪3與NM0構(gòu)成第一級(jí)電流鏡，PM0與PM1構(gòu)成第二級(jí)電流鏡，匪1與放大部分的 NM6、匪7構(gòu)成電流鏡，PM0與放大部分的PM3構(gòu)成電流鏡。因該放大器采用正負(fù)電源供電， 輸入端無最小電壓要求；
[0010] C)差分放大器的負(fù)輸入端與輸出端之間采用可供選擇的5M、2M或1M歐姆的反饋 電阻，當(dāng)開關(guān)1和開關(guān)2全為高時(shí)，總的反饋電阻約為0. 6M歐姆，當(dāng)開關(guān)1和開關(guān)2全為低 時(shí)，總的反饋電阻為5M歐姆，通過選擇開關(guān)1和開關(guān)2可組合成不同的反饋電阻大小。該 放大器適合于不同響應(yīng)率探測器信號(hào)的放大讀出。
[0011] 本專利有如下優(yōu)點(diǎn)：
[0012] 1、該電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用平衡橋式輸入和電阻負(fù)反饋的方法，順利地解決了CMOS 電路與低阻抗探測器匹配的問題。
[0013] 2、因該電路能在液氮低溫下工作，可實(shí)現(xiàn)電路與探測器一同封裝并能在液氮低溫 下工作，大大降低了組件的等效輸入噪聲。
[0014] 3、反饋電阻設(shè)計(jì)為5M、2M或1M歐姆的反饋電阻，可實(shí)現(xiàn)不同的放大倍數(shù)。
[0015] 4、偏置電阻設(shè)計(jì)為1K歐姆，當(dāng)探測器元和盲元的電阻小于100歐姆時(shí)，從偏置電 壓輸入端引入的噪聲抑制比大于20dB，有利于等效輸入噪聲的降低。
【附圖說明】
[0016] 圖1為橋式輸入電阻負(fù)反饋的CMOS前放電路總體結(jié)構(gòu)圖。
[0017] 圖2為DIF-AMP差分放大器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018] 實(shí)施例1
[0019] 圖1為橋式輸入電阻負(fù)反饋的CMOS前放電路總體結(jié)構(gòu)圖。R4與紅外光導(dǎo)探測器 相連，形成一條通路，R5與探測器盲元相連，形成另一條通路，兩條通路構(gòu)成平衡橋式結(jié)構(gòu)。 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和R5的電阻大小。R5與R4對(duì) 應(yīng)，其阻值應(yīng)設(shè)計(jì)為相等，本電路設(shè)計(jì)為1K歐姆。盲元和探測器的電阻大小相等，若探測器 電阻與盲元電阻的大小不一致，可以通過調(diào)節(jié)Vbias使電路正常工作。該放大器適合100 歐姆以下的低輸入阻抗光導(dǎo)探測器信號(hào)的放大。當(dāng)紅外光導(dǎo)探測器接受紅外信號(hào)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，其改變量通過放大器使紅外信號(hào)順 利讀出。
[0020] 當(dāng)探測器電阻和盲元電阻為100歐姆時(shí)，偏置電阻1K歐姆為探測器電阻或盲元電 阻的10倍，這樣從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 10倍。在 偏置電阻一定的情況下，探測器和盲元的電阻越小，其噪聲的抑制倍數(shù)就越大。偏置電阻與 探測器電阻的差值越大對(duì)噪聲抑制越有好處。
[0021] 為了保證合適的放大倍數(shù)，本電路設(shè)計(jì)為5M、2M或1M歐姆的反饋電阻可選，當(dāng)開 關(guān)1和開關(guān)2全為高時(shí)，總的反饋電阻約為0. 6M歐姆，當(dāng)開關(guān)1和開關(guān)2全為低時(shí)，總的反 饋電阻為5M歐姆，通過選擇開關(guān)1和開關(guān)2可組合成不同的反饋電阻大小。若要增加放大 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，具體情況應(yīng)根據(jù)探測器的響 應(yīng)率來決定。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)能實(shí)現(xiàn)相位裕度補(bǔ)償，消除高頻振蕩，起穩(wěn)定電 路的作用。
[0022] 實(shí)施例2
[0023] 圖2為差分放大器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。采用差分輸入的一級(jí)折疊共源共柵結(jié)構(gòu)。其 中PM7和PM8是輸入對(duì)管，PM7、PM8、NM4、NM5構(gòu)成差分輸入的共源共柵結(jié)構(gòu)，PM4、PM5為 差分輸出的有源負(fù)載，NM6、NM7給共源共柵提供電流源，In-、In+為差分運(yùn)算放大器的正負(fù) 輸入端。匪3與NM0構(gòu)成第一級(jí)電流鏡，PM0與PM1構(gòu)成第二級(jí)電流鏡，匪1與放大部分的 NM6、匪7構(gòu)成電流鏡，PM0與放大部分的PM3構(gòu)成電流鏡。管子參考尺寸如下表所不（單位 為微米）。
[0024]
[0025] 該差分放大器采用共源共柵結(jié)構(gòu)，可利用正負(fù)電源供電，這樣差分輸入端無最小 電壓要求，當(dāng)差分輸入端為零伏時(shí)電路也能正常工作。由于該差分放大器采用了折疊共源 共柵結(jié)構(gòu)，在常溫和液氮低溫下都能正常工作，工作電壓范圍較大，在±2.5伏和±1伏之 間都能正常工作，但需考慮工作電壓的不同導(dǎo)致的功耗差異。
[0026] 實(shí)施例3
[0027] 在液氮低溫下，對(duì)該CMOS前放電路進(jìn)行了測試，其最小放大倍數(shù)為400倍（0. 6M 歐姆的反饋電阻）。然后把CMOS前放電路與低阻抗探測器進(jìn)行了互聯(lián)，對(duì)該組件進(jìn)行了測 試，電路和探測器的工作狀態(tài)良好，組件的3dB帶寬大于2KHZ，等效輸入點(diǎn)噪聲小于30nV/ H廠1/2。利用鎖相放大器EGModel117對(duì)其通帶噪聲進(jìn)行了測試，結(jié)果如下表所示：
[0028]
[0029] 從測試結(jié)果看，該橋式輸入電阻負(fù)反饋的CMOS前放電路與低阻抗探測器連接后 在液氮低溫下信號(hào)能順利讀出，噪聲測試結(jié)果優(yōu)良，成功實(shí)現(xiàn)了高阻CMOS電路與低阻抗探 測器的匹配。
[0030] 以上通過具體的實(shí)施例對(duì)本專利進(jìn)行了說明，但本專利并不限于這些具體的實(shí)施 例。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，還可以對(duì)本發(fā)明做各種修改、等同替換、變化等等，這些變換 只要未背離本專利的精神，都應(yīng)在本專利的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種橋式輸入電阻負(fù)反饋的CMOS前放電路，由輸入部分和放大部分構(gòu)成，其特征在 于： 所述的輸入部分采用平衡橋式輸入方式，兩條橋式支路均采用IK歐姆偏置電阻，一條 支路與探測器相連，形成一條通路，另一條支路與盲元相連，形成另一條通路，兩條通路構(gòu) 成平衡橋式結(jié)構(gòu)； 所述的放大部分采用可變?cè)鲆娴碾娮柝?fù)反饋結(jié)構(gòu)，在負(fù)輸入端與輸出端之間采用可供 選擇的5M、2M或IM歐姆的反饋電阻，通過兩個(gè)開關(guān)控制形成不同大小的反饋電阻，所述的 放大部分中的差分放大器采用共源共柵結(jié)構(gòu)，正負(fù)電源供電，輸入部分與放大部分直接耦 合相連。
【專利摘要】本專利公開了一種橋式輸入電阻負(fù)反饋CMOS前放電路，由輸入部分和放大部分構(gòu)成，輸入部分與放大部分直接耦合相連。該電路在輸入部分采用平衡橋式輸入結(jié)構(gòu)，輸入部分的兩條支路均采用1K歐姆偏置電阻，一條支路與探測器相連，形成一條通路，另一條支路與盲元相連，形成另一條通路，兩條通路構(gòu)成平衡橋式結(jié)構(gòu)。為滿足不同的放大倍數(shù)要求，適應(yīng)不同響應(yīng)率探測器信號(hào)的放大讀出，放大部分采用可變?cè)鲆娴碾娮柝?fù)反饋結(jié)構(gòu)，放大部分的負(fù)輸入端與輸出端之間采用可供選擇的5M、2M或1M歐姆的反饋電阻，通過兩個(gè)MOS開關(guān)控制形成不同大小的反饋電阻。為使電路能在液氮低溫下工作，放大部分中的差分放大器采用共源共柵結(jié)構(gòu)，正負(fù)電源供電。
【IPC分類】H03F1/34, H03F3/45
【公開號(hào)】CN204681319
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201520372601
【發(fā)明人】袁紅輝, 陳世軍, 陳永平
【申請(qǐng)人】中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所
【公開日】2015年9月30日
【申請(qǐng)日】2015年6月2日