一种线性模式雪崩光电二极管的接口电路设计

摘要

工作在线性模式下的雪崩光电二极管(Avalanche photodiode，APD)具有光子检测效率高、功耗低、可连续检测等优点，广泛应用于各类微弱光信号探测成像系统。检测过程中，APD接收微弱光信号并转化为电流输出，接口电路感应该电流信号并将检测结果传输到下一级处理电路。线性模式下APD输出的脉冲电流信号幅度低，脉宽短，因此需要再进行跨阻和电压放大，转换成可状态辨识的电压脉冲信号。随着探测成像系统趋向大规模阵列发展，接口电路功耗、面积受到的限制越来越严格，设计难度大大提高。
　　本文基于弱光检测应用的实际需求，根据线性模式APD器件特性，完成了一种面积紧凑、功耗低，适用于阵列应用的电流检测接口电路设计。电路采用共栅输入的跨阻放大器，具有带宽高、功耗小的特性，且采用MOS电阻代替内部的部分多晶硅电阻，显著减小了电路面积。对于前置放大电路因采用MOS电阻而使输出静态工作点发生较大漂移，在前置放大后的电压放大模块中采用了具有高共模抑制比的差分放大器以抑制共模点漂移产生的影响，同时调整改进差分放大器设计，在保持其性能的基础上减小面积。
　　采用TSMC0.35μm CMOS工艺完成电路设计仿真和流片验证，版图面积为29μm×79μm。后仿结果表明，接口电路跨阻增益114dBΩ，最小检测电流为1.17μA。芯片采用集成的测试电路等效APD输出激励进行测试，通过和后仿真结果对比表明芯片能够实现脉冲电流信号的检测功能，静态功耗为0.25mA，最小检测电流为1.8μA。本文最后对电路设计进行总结，并为后续电路改进提出了可行性建议。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 国内外研究现状与发展趋势

1．3 研究内容与设计指标

1．3．1 研究内容

1．3．2 设计指标

1．4 论文组织结构

第二章 微弱电流检测原理

2．1 InGaAs APD器件基础

2．1．1 APD器件工作模式

2．1．2 APD器件线性模式等效电路

2．2 电流检测接口电路系统架构

2．3 跨阻放大器基础

2．3．1 性能参数

2．3．2 结构类型

2．4 本章小结

第三章 电流检测接口电路设计

3．1 接口电路系统设计

3．2 主要模块电路设计

3．2．1 跨阻放大器

3．2．2 单转双电路

3．2．3 电压放大器

3．3 测试电路

3．4 本章小结

第四章 接口电路仿真及版图设计

4．1 接口电路前仿真分析

4．1．1 直流特性参数仿真分析

4．1．2 交流特性参数仿真分析

4．1．3 瞬态分析

4．1．4 噪声参数仿真分析

4．1．5 系统功能仿真验证

4．1．6 电路的建立时间

4．2 测试电路仿真

4．3 版图设计

4．3．1 版图面积控制

4．3．2 版图寄生控制

4．3．3 失调抑制

4．4 后仿验证

4．5 本章小结

第五章 检测电路测试与分析

5．1 测试平台

5．2 测试结果与分析

5．2．1 测试说明

5．2．2 功能测试验证

5．2．3 性能测试

5．2．4 测试小结

5．3 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢