一种差分输入的低温红外探测器微弱电流放大器制造技术

本发明专利技术公开了一种差分输入的低温红外探测器微弱电流放大器，该放大器采用差分输入的折叠共源共栅结构，４１ＭΩ的反馈电阻集成在芯片里面，四路集成放大器芯片仅为３ｍｍ×１．９ｍｍ；该放大器能直接把红外探测器的电流信号转化为电压信号，常温３００Ｋ和低温７７Ｋ都能正常工作；该放大器不仅可用于红外探测器信号的放大，也可用于可见光探测器信号的放大；该放大器在低温７７Ｋ下的３ｄＢ带宽为５ＫＨｚ，等效输入电流噪声为０．０２５ＰＡ／ＨＺ↑［１／２］＠１ＫＨｚ，最小单元功耗可低至０．３２ｍＷ。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及前置放大器技术，具体指一种差分输入的低温红外探测器微弱电流放大器，它用于工作在液氮温度77K的红外探测器。
技术介绍
红外探测器和低噪声微弱电流前置放大器是气象卫星遥感的核心部件。为 降低探测器的读出噪声，理想的方式是电流前置放大器与红外探测器一起进行 低温集成封装。然而，由于市售的商用放大器都不具备低温工作能力，目前在 遥感系统设计中仍然采用红外探测器和电流前置放大器远距离分开连接的工 作方式，即HgCdTe红外探测器在深低温下工作，而电流前置放大器在常温下 工作。这种设计使得探测器输出的极微弱信号在传输至前置放大器的过程中产 生干扰，引入很大的附加噪声，限制了系统灵敏度的提高。因此差分输入77K 工作温度的低噪声微弱电流放大电路的研制对于高性能红外探测器集成组件、 深低温红外焦平面及高灵敏红外遥感系统的研制都具有极其重要的意义。2005年3月2日授权的曹必松等的中国专利CN1588794，公布了一种射频 频段低温地噪声放大器，该放大器是属于射频
的放大器，主要应用于 CDMA频段，且采用的是双极型工艺，没有采用现在的常规CMOS工艺，没有将 10MQ左右的反馈电阻集成在放大器内部，无法直接放大红外探测器的信号。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种能直接放大红外探测器信号的低温工作的低 噪声微弱电流放大器，解决常温电流前置放大器所引发的干扰大、附加噪声大和系统灵敏度受限的技术问题。该低温放大器的结构如图l所示，采用差分输入的一级折叠共源共栅结构。其中M1和M2是输入对管，M1、M2、M3、M4构成差分输入的共源共栅结构，M5、 M6为差分输出的有源负载，M7、M8给共源共栅提供电流源，RF做反馈电阻，CF 为反馈电容，M9 M16为偏置电路。主要管子的尺寸如下表所示(单位为微米)。<table>table see original document page 4</column></row><table>其特征在于该放大器采用高阻多晶硅做反馈电阻，能使低温41MQ的反 馈电阻集成在芯片里面，能直接把红外探测器的电流信号转化为电压信号，克 服了在外面加反馈电阻引入外来噪声源的缺点；低温电路的输入管采用 1500um/1.5um的大管子，大大降低了放大器的等效输入噪声；低温电路拓扑 结构采用差分输入的一级折叠共源共栅结构，没有使用补尝电容，克服了普通 的两级放大器在低温下补偿电容变化而容易导致振荡的缺点；低温放大器的偏 置电路采用三级镜像的方式，没有使用多晶硅电阻控制电流，克服了电阻随温 度变化导致电路静态工作点变化的缺点。本专利技术的优点如下1.该低温电路的输出阻抗很高， 一级放大就能达到60dB以上的放大倍数， 该电路的电源电压抑制比较高，减小了电源纹波引入系统的噪声。2 .该微弱电流放大器在低温77K下的等效输入电流噪声为 0.025PA/HZ1/2@lKHz。3. 该放大器在常温300K和低温77K都能正常工作，不仅可用于红外探测 器的信号放大，也可用于可见光探测器的信号放大。4. 该放大器采用标准CMOS工艺制造而成，保证了芯片制造的可重复性。5.该低温电路没有使用补偿电容，克服了普通的两级放大器在低温下补尝 电容变化而容易振荡的缺点。 附图说明图l差分输入液氮低温微弱电流放大器结构示意图。图2差分输入低温微弱电流放大器输入管的版图。 图3差分输入低温微弱电流放大器版图。图4差分输入低温微弱电流放大器在常温下的噪声特性曲线图。 图5放大器在低温77K下的频响特性曲线图。下面结合附图对本专利技术的具体实施方式作进一步的详细说明此电路总的噪声主要由输入管Ml、 M2管决定，其等效输入噪声电压计算第一项为沟道热噪声，第二项为1/f噪声。g-为输入管的跨导，为减小总噪声，输入管W/L的大小及偏置电流的设计 非常重要。从以上公式可知增大gm可以减小沟道热噪声，在面积许可的条 件下，增大输入管的W/L，采用1500um/1.5um来增大g^，在画版图时用72 个41.7ixm/1.5um的管子组成输入对管Ml、 M2，且在输入对管的外面使用了 保护环，如图2所示，有利于减少输入对管的失调及外界串扰进来噪声。另外 还可以通过调节偏置电流来增大输入管的电流Ids来增大gm ，在调节偏置时， 我们把L调到80u A左右，这样可以很大程度上减少沟道热噪声。但L不能调 得太大，否则会由于电流过大而导致静态功耗增大，所以电路表现出噪声和功具体实施方法公式为:耗的折衷关系。PM0S比丽0S的1/f噪声小，所以输入管Ml、 M2选PM0S减小了 1/f噪声。 另外增大WXL也可以减小1/f噪声，在功耗和面积许可的条件下，其他管子也 尽可能考虑低噪声标准来设计。当温度降低时电流加大以及域值电压Vt増加可 能会使器件无法工作，所以在设计每个管子的W/L时要充分考虑。我们用 HSPICE软件进行仿真，使用的是贝岭公司的1. 2微米BSIM3器件模型，从仿真 结果看，本电路的输出噪声电压很低(如图4)。若取带宽为10KHz， 0 — 10KHz 的总输出噪声电压大约为50uV。因为反馈电阻大小为17MQ,所以可以计算出 等效输入总电流大小为3PA，点频输入电流噪声为0.03W/V^。对差分输入微弱电流放大器的噪声我们是采用EG&G 124A锁相放大器测试 的，测试点频噪声时MODE选BANDPASS, Q值选IOO。若测试点的频率为f，测得的噪声电压为V，则该频点的噪声电压密度)^ = 7 F 。在常温下测得点噪声为0.03PA/HZ"^lKHz，这个结果与仿真结果比较吻合。在液氮温度77K 下测得点噪声为0.025PA/HZ1/2@lKHz。符合温度下降时点噪声降低的理论。从 上面的噪声测试结果可以看出，前面采用的减少噪声的方法得当，效果很明显。因一般的代工厂提供的仿真模型其最低温度只能达到200K左右，无法进 行低温77K仿真，在低温下阈值电压及其他一些相关参数都要发生变化，我们 针对贝岭1.2um工艺，把常温模型阈值电压增加0.35伏，模拟77K温度的电 路基本性能，测试结果显示，放大器的主要性能测试结果和仿真结果基本吻合， 如低温的静态功耗、输入输出的静态工作点、输出电压摆幅等。这些结果对我 们今后进行低温电路的设计提供了最简单的行之有效的方法。我们采用的是差分输入的折叠式共源共栅结果，使一级放大的开环增益就超过了 60dB，避免了使用常规的两级放大低温下容易引起振荡的缺点。几乎所 有的低温红外探测器都是在零偏下工作，差分输入单端输出的放大器结构很好 的解决了这个问题。参考电流源级由M9 M16构成，M15、 M16为基准电流，由M16镜像到M14 产生一路电流，再由M10镜像到M9产生另外一路电流，该电流源没有使用对 温度特别敏感的电阻，所以该电流源在常温和低温下都能正常工作，测试结果 显示该电流源温度抑制能力很强，常温和低温的电流变化不大，在可以接受的 范围。所以整个微弱电流放大器工作温度范围很宽，从常温300K到低温77K 都能正常工作。为减少封装管壳的引脚数，降低串音干扰，反馈电阻集成在芯片里面，反馈 电阻采用高阻多晶硅做本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种差分输入的低温红外探测器微弱电流放大器，它采用差分输入的折叠共源共栅结构，其特征在于：Ａ．反馈电阻ＲＦ采用４１ＭΩ的高阻多晶硅电阻；Ｂ．输入管Ｍ１、Ｍ２采用１５００ｕｍ／１．５ｕｍ的大管子；Ｃ．折叠共源共栅结构中不采用补偿电容；Ｄ．偏置电路采用三级镜像的方式。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：袁红辉，陈永平，陈世军，刘强，徐星，王欣，
申请(专利权)人：中国科学院上海技术物理研究所，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]