一种光探测器及其组件和光电前端放大器电路制造技术

本发明专利技术提供一种光探测器及其组件和光电前端放大器电路，属于四象限光电探测应用技术领域，所述光电前端放大器电路包括低噪声前端跨阻放大器、中间级电压放大器与输出缓冲放大器三级结构，三级电路通过直流耦合构成宽带放大器，本发明专利技术的有益效果在于电路结构与现有探测器工艺兼容，可以单片集成减小四象光电限探测器体积、功耗、成本，提升可靠性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及电子电路
，特别是涉及光探测器、以及其中的光电前端放大器电路。
技术介绍
传统的四象限光探测器组件，除了四象限探测器外，前端放大器通常采用模块/混合集成方式，具有体积大、成本高、可靠性低等缺点。随着单片工艺、电路技术的进步，研制单片集成的多通道光电前端放大器成为可能，甚至把探测器和前端放大器全单片集成的光电一体化设计也已开始探索。研究适合单片多通道单片集成的宽带大动态范围光电前端放大器电路设计技术，对四象限光探测器组件的研制具有积极重要的意义。光电前端放大器第一级为跨阻放大器，基本原理架构如图1所示，前向放大器为反相电压放大器，电压增益设为A，输入/输出端跨接一个反馈电阻R，Cin和Cout表示输入输出寄生电容。光电二极管产生的光电流信号遇到电阻R产生电压信号。前向电压放大器本身输入阻抗为高阻，但由于反相放大的密勒等效效应，在A远大于1的情况下，从整体跨阻放大器输入端看入的阻抗远小于R，跨阻放大器跨阻增益近似为电阻R。传统的跨阻放大器结构如图2所示，其中前向放大器仅由两个晶体管构成，晶体管M1构成共源电压放大器，M2构成电压缓冲器。由于MOS管增益相对较低，采用该结构很难同时实现高增益和高速度性能。该结构可直接改为双极电路，只要把两个NMOS晶体管换成NPN晶体管即可，在相近的工艺条件下，可以获得更好的增益速度性能。一种创新的针对CMOS工艺的跨阻放大器结构如图3所示(发表于IEEE固体电路期刊JSSC，1994年12月)，该电路前向放大器采用三级反相放大结构以获得更高的前向放大倍数，从而允许更高的跨阻增益。最终在0.7μm工艺节点实现了150kΩ的跨阻增益和18THzΩ240Mb/s的性能指标。该电路结构只能采用CMOS工艺实现，无法直接移植到双极工艺。专利技术专利(申请号CN 104104339 A)基于图3电路结构提出一种新的跨阻放大器结构，为扩展放大器动态范围，提出了一种改进电路结构，如图4所示。该专利主要针对反馈电阻通路进行修改，并入一个MOS二极管结构和分流结构。该电路同样只能采用CMOS工艺实现，无法直接移植到双极工艺。另外，固态电路国际会议ISSCC2007报道了D.Micusík,H.Zimmermann的关于脉冲跨阻放大器的论文，该电路采用0.35μmSiGeBiCMOS工艺(主要采用双极NPN晶体管)，利用对数压缩电路结构，实现了112dB动态范围和240MHz带宽。该电路采用单5V电源，功耗电流达78mA。ISSCC2008再次报道D.Micusík,H.Zimmermann的论文，通过两级对数压缩提升抗饱和输入电流，动态范围提升到130dB，相应的功耗电流进一步增加到110mA。由于功耗电流太大，该电路并不适合单片多通道集成，所用工艺也不适合与现有四象限光电探测器集成。2010年举办的固态电路国际会议ICSICT2010报道了黄文刚等人的单片四通道大动态范围光电前端放大器电路结构，该电路采用国内2μm标准双极工艺，跨阻放大器采用传统前向放大器结构，反馈通道利用集成肖特基二极管进行对数压缩，达到了118dB的输入动态范围，电源电压±5V，单路功耗电流仅2.5mA，达到产品化要求。但是该产品带宽只有不到5MHz，无法满足50ns级光电流脉冲信号检测需求，而且增益级采用运放结构，功耗面积相对更大。综上所述，现有光电前端放大器往往无法在实现高增益和高速度性能的同时还可以保证适于光电探测器集成，这是目前困扰本领域技术人员的一个技术难题。
技术实现思路
鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种光探测器及其组件和光电前端放大器电路，用于解决现有光电前端放大器往往无法在实现高增益和高速度性能的同时还可以保证适于光电探测器集成的问题。为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供以下技术方案：一种光电前端放大器电路，其可以采用三级结构，其中：第一级放大电路的电路结构可以包括：跨阻放大器，至少包括NPN型三极管Q1和NPN型三极管Q2，所述NPN型三极管Q1的基极和所述NPN型三极管Q2发射极分别为所述跨阻放大器的输入端和输出端，所述NPN型三极管Q1集电极连接于所述NPN型三极管Q2的基极并通过电阻R1连接于第一电源，所述NPN型三极管Q1发射极接地并通过电阻R2连接于所述NPN型三极管Q2的发射极，所述NPN型三极管Q2的集电极连接于所述第一电源；反馈电路，连接于所述跨阻放大器的输入端和输出端之间，其包括二极管D1、电阻R3、电阻R4、以及NMOSFET晶体管M1，所述二极管D1及电阻R3并联于所述跨阻放大器的输入端和输出端之间，所述二极管D1的正极连接于所述跨阻放大器的输出端，所述二极管D1的负极连接于所述跨阻放大器的输入端；所述电阻R4和NMOSFET晶体管M1相串联并连接在所述跨阻放大器的输入端和输出端之间，NMOSFET晶体管M1用作开关，M1的栅极作为使能端。上述电路为带程控增益功能的前端低噪声跨阻放大器，其跨阻增益可以反馈支路，决定跨阻放大器的跨阻增益。优选地，所述光电前端放大器电路还可以包括第二级放大电路，其电路结构可以包括：共集共基电压放大器，用于对所述跨阻放大器输出电压信号进行宽带放大，所述共集共基电压放大器的静态工作点与所述第一级放大电路中的所述跨阻放大器直流耦合，且所述共集共基电压放大器的偏置电路可输出供特定负温度系数的偏置电流，提供温度补偿能力。优选地，所述共集共基电压放大器的电路结构可以包括NPN型三极管Q3和NPN型三极管Q4，所述NPN型三极管Q3的基极和NPN型三极管Q4的集电极分别为所述共集共基电压放大器的输入端和输出端，所述NPN型三极管Q3的集电极连接于所述第一电源，所述NPN型三极管Q3的发射极通过电阻R5连接于所述NPN型三极管Q4的发射极，所述NPN型三极管Q4的基极接地，所述NPN型三极管Q4的集电极还通过电阻R6连接于所述第一电源，其中，所述共集共基电压放大器的电压增益由R6/R5比值决定。优选地，所述共集共基电压放大器的偏置电路可以包括NPN型三极管Q5和NPN型三极管Q6，所述NPN型三极管Q5的基极通过电阻R7接地、以及通过电阻R8来分别连接于所述NPN型三极管Q6的集电极和电阻R9的一端，所述电阻R9的另一端连接于所述NPN型三极管Q6的基极，所述NPN型三极管Q6的基极还通过电阻R10连接于第二电源，所述NPN型三极管Q5的集电极连接于所述NPN型三极管Q4的发射极和电阻R5之间的连线上，所述NPN型三极管Q5的发射极通过电阻R11连接于所述第二电源，所述NPN型三极管Q6的发射极连接于所述第二电源，所述第二电源为负电源电压。本偏置电路可以提供特定负温度系数的偏置电流。优选地，所述光电前端放大器电路还可以包括第三级放大电路，其电路结构包括：电压缓冲放大器，电路结构为达林顿结构，其静态工作点可与第二级放大电路中的所述共集共基电压放大器直流耦合，用于实现高信号隔离度和大电压驱动能力。优选地，所述电压缓冲放大器的电路结构包括：NPN型三极管Q7、NPN型三极管Q8、NPN型三极管Q9及NPN型三极管Q10，所述NPN型三极管Q7的基极和所述NPN型三极管Q8的发射极分别作为所述电压缓冲放大器的输入端和输本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光电前端放大器电路，其特征在于，包括：第一级放大电路，其包括以下电路结构：跨阻放大器，至少包括NPN型三极管Q1和NPN型三极管Q2，所述NPN型三极管Q1的基极和所述NPN型三极管Q2发射极分别为所述跨阻放大器的输入端和输出端，所述NPN型三极管Q1集电极连接于所述NPN型三极管Q2的基极并通过电阻R1连接于第一电源，所述NPN型三极管Q1发射极接地并通过电阻R2连接于所述NPN型三极管Q2的发射极，所述NPN型三极管Q2的集电极连接于所述第一电源；反馈电路，连接于所述跨阻放大器的输入端和输出端之间，其包括二极管D1、电阻R3、电阻R4、以及NMOSFET晶体管M1，所述二极管D1及电阻R3并联于所述跨阻放大器的输入端和输出端之间，所述二极管D1的正极连接于所述跨阻放大器的输出端，所述二极管D1的负极连接于所述跨阻放大器的输入端；所述电阻R4和NMOSFET晶体管M1相串联并连接在所述跨阻放大器的输入端和输出端之间，NMOSFET晶体管M1用作开关，M1的栅极作为使能端。

【技术特征摘要】
1.一种光电前端放大器电路，其特征在于，包括：第一级放大电路，其包括以下电路结构：跨阻放大器，至少包括NPN型三极管Q1和NPN型三极管Q2，所述NPN型三极管Q1的基极和所述NPN型三极管Q2发射极分别为所述跨阻放大器的输入端和输出端，所述NPN型三极管Q1集电极连接于所述NPN型三极管Q2的基极并通过电阻R1连接于第一电源，所述NPN型三极管Q1发射极接地并通过电阻R2连接于所述NPN型三极管Q2的发射极，所述NPN型三极管Q2的集电极连接于所述第一电源；反馈电路，连接于所述跨阻放大器的输入端和输出端之间，其包括二极管D1、电阻R3、电阻R4、以及NMOSFET晶体管M1，所述二极管D1及电阻R3并联于所述跨阻放大器的输入端和输出端之间，所述二极管D1的正极连接于所述跨阻放大器的输出端，所述二极管D1的负极连接于所述跨阻放大器的输入端；所述电阻R4和NMOSFET晶体管M1相串联并连接在所述跨阻放大器的输入端和输出端之间，NMOSFET晶体管M1用作开关，M1的栅极作为使能端。2.根据权利要求1所述的光电前端放大器电路，其特征在于，还包括：第二级放大电路，其包括以下电路结构：共集共基电压放大器，用于对所述跨阻放大器输出电压信号进行宽带放大，所述共集共基电压放大器的静态工作点与所述第一级放大电路中的所述跨阻放大器直流耦合，且所述共集共基电压放大器的偏置电路可输出供特定负温度系数的偏置电流，提供温度补偿能力。3.根据权利要求3所述的光电前端放大器电路，其特征在于，所述共集共基电压放大器的电路结构包括NPN型三极管Q3和NPN型三极管Q4，所述NPN型三极管Q3的基极和NPN型三极管Q4的集电极分别为所述共集共基电压放大器的输入端和输出端，所述NPN型三极管Q3的集电极连接于所述第一电源，所述NPN型三极管Q3的发射极通过电阻R5连接于所述NPN型三极管Q4的发射极，所述NPN型三极管Q4的基极接地，所述NPN型三极管Q4的集电极还通过电阻R6连接于所述第一电源，其中，所述共集共基电压放大器的电压增益由R6/R5比值决定。4.根据权利要求3所述的光电前...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄文刚，谭开洲，李荣强，黄绍春，刘伦才，刘林涛，黄晓宗，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第二十四研究所，
类型：发明
国别省市：重庆;50