一种光电二极管放大器制造技术

本发明专利技术公开了一种光电二极管放大器，将增益带宽乘积在１．６ＧＨｚ以上的第一运算放大器正输入端接地，负输入端连结到阻值为１０－１３０ｋΩ的贴片式金属薄膜增益电阻一端，第一运算放大器输出端接增益电阻另一端，将寄生电容在５０ｐＦ－５ｎＦ的光电二极管负极与第一运算放大器正输入端相连，光电二极管正负极分别连结到电压增益为１的自举缓冲器输入端与输出端上，该自举缓冲器由负输入端与输出相连结的增益带宽乘积在４５ＭＨｚ以上的第二运算放大器构成，其负输入端构成自举缓冲器的输入端，第二运算放大器ｄ的输出端为自举缓冲器的输出端。本发明专利技术达到了放大器性能高、自举技术实现简单、能自动调节反馈电容和对于不同光电二极管能够自适应的要求。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于光电探测放大器
，特别涉及使用运算放大器的大光敏面积光电 二极管的高速低噪声放大器。
技术介绍
《美国电气和电子工程师协会传感器期刊》(/力^^^e/wors /o"r朋/) 2005年4月第 5巻第2号第281页到第288页上的论文《针对光学断层摄影术的高性能光电二极管接收 器的i殳计》("Design of high—performance photodiode receivers for optical tomography"),比较性地使用了各种不同的运算放大器来搭建电路，但无论采用传统光 电二极管放大器还是差分放大器结构，其3^^带宽理论值都没有超过760i^z,输出噪声频语密度理论值也不低于1.2/zK/V^ 。美国德州仪器公司2006年发布的编号为SBOS251D关于其产品高速运算放大器 OPA847的产品数据表中的应用笔记指出，若将该产品用于传统电路结构的光电二极管放 大器中，可使放大器带宽理论上超过10必fe。但是其电路设计存在两个问题 一、使用的 光电二极管其寄生电容必须小于50/7尸，由于光电二极管寄生电容随着其光敏面积的减小 而减小，因而该放大器只适用于小光敏面积的光电二极管；二、文中的放大器电路要求 对其中的反馈电容值进行O. 1 p尸量级的精细调节，方能使带宽达到预期值，这在分立元 件构成的印刷电路板上很难实现。美国光学协会的《光学与光子学新闻》(^"'"《/^Wo/n'" 7fep^， 2001年4月) 中的论文"光电二极管的前端"("Photodiode front ends")中的设计，虽然使用了自 举技术对传统光电二极管放大器电路进行了改进，但该自举技术是通过三极管、电阻等 分立元件来实现的，且其带宽没有超过l#yfe。《美国电气和电子工程师协会固态电路期刊》(/^5"A /owr朋/ of 5W/"-iYa " Circw/") 2007年9月第42巻第9号第1851页到第1864页上的论文"一种使用光电二 极管寄生电容自举抑制技术和垂直门限调整技术实现的增益54必Q + 42必速度10G6 / 的锗化硅互阻限幅》欠大器"("A 54dBQ + 42dB 10Gb/s SiGe trans impedance-1 imi t ing amplifier using bootsrap photodiode capacitance neutralization and vertical threshold adjustment"),虽然使用了自举技术达到很高带宽，但该放大器存在两个问 题1、针对的是数字通信而非精密模拟应用，噪声高，全频带上等效输出噪声不小于200mF/V^; 2、由于该放大器是集成芯片，使用数量小的时候造价高，不便实现，且参数固定无法调节。
技术实现思路
本专利技术提出一种光电二极管放大器，以克服以往技术中大光敏面积、低噪声和高速 三个指标难以同时提高的缺点，达到放大器性能高、自举技术实现简单、能自动调节反馈电容和对于不同光电二极管能够自适应的要求。本专利技术光电二极管放大器，将增益带宽乘积在1. 6C^Z以上的第一运算放大器a的正 输入端接地，负输入端连结到增益电阻b —端，该增益电阻b是一个阻值为10 - 130A;Q的 贴片式金属薄膜电阻，第一运算放大器a的输出端e与增益电阻b的另一端连结，将寄 生电容在50;7尸-5/ 尸的光电二极管c的负极与第一运算放大器a的正输入^相连，并将 光电二极管c的正负极分别连结到电压增益为1的自举緩沖器的输入端与输出端上；其 特征在于所述自举緩冲器由工作在电压跟随器模式一 _即负输入端与输出相连结的增 益带宽乘积在45#yfe以上的第二运算放大器d构成，该第二运算放大器d的负输入端构 成所述自举緩沖器的输入端，第二运算放大器d的输出端构成所述自举緩沖器的输出端。使用时，如果有光信号进入光电二极管c,光电二极管c内部就会将光信号转换成光电流。光电流流过增益电阻b之后，在第一运算放大器a输出端e形成电位，光信号就转变成了电压信号，然后从第一运算放大器a的输出端e也就是本专利技术光电二极管放大器的总输出端传递到下一级。下一级可以是电压放大器、锁相放大器、数模转换器等装置。由于光电二极管正负极始终连结着由 一颗工作在负反馈状态下即电压跟随器模式的第二运算放大器所构成的自举緩冲器，所以光电二极管两端电压保持不变，相当于光电二极管上的寄生电容被隔离，光电流不从寄生电容上流过，尤其是高频的光电流不从寄生电容上流过，这样放大器的带宽不受光电二极管上寄生电容的限制而得到了提高。与
技术介绍
《针对光学断层摄影术的高性能光电二极管接收器的设计》相比，由于本专利技术在传统光电二极管放大器电路的基础上加入了自举技术，使光电二极管的寄生电 容被大大抑制，这样一来产生两个有利结果1、使放大器带宽最高提升到12#vfe; 2、使 光电二极管的选择范围得以拓展，不受寄生电容值的限制。凡是寄生电容范围在50p尸到 5 /j尸之间的光电二极管都可使用本专利技术放大器；由于光电二极管的寄生电容值主要由光敏 面积决定，所以光敏面积在3附附2到200/w^之间的铟砷化镓光电二极管，以及光敏面积 在4附附2到440附附2之间的硅光电二极管，都可使用本专利技术放大器，因而本专利技术放大器实 际上对于光敏面积从小到大的各种光电二极管都是适用且自适应的。另外，本专利技术与背 景技术相比，只增加了一个元件即实现自举緩沖功能的第二运算放大器，所以噪声没有 明显提高。事实上，通过选用低噪声的运算放大器，可控制输出噪声不高于加4nF/V^， 比
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中的1.2//F / i更低。与现有美国德州仪器公司的产品运算放大器0PA847应用笔记中的电路相比，本专利技术 省去了对反馈电容的调节。由于本专利技术放大器加入了自举技术，并且通过主放大器与自 举緩冲器中两个运算放大器的搭配，放大电路只利用增益电阻上典型值为250/尸的寄生 电容就能实现频率补偿，而且频率响应对该寄生电容值并不敏感，即放大器对增益电阻 没有特殊要求，其寄生电容值从200尸尸变化到对频率响应均没有影响。因此对因 增益电阻工艺不同导致的寄生电容值不同，即反馈电容值的不同，本专利技术放大器是能够 自动调节的。此外，与该
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只能使用寄生电容小于50p尸的小光敏面积光电二极管 相比，本专利技术可应用于寄生电容值范围在50p尸到5/^之间的各种光电二极管，即光敏面积在3附》22到200附附2之间的铟砷化镓光电二极管以及光敏面积在4w附2到440 ^2之间 的硅光电二极管，这其中包括了大光敏面积光电二极管。与现有《光电二极管的前端》中的设计相比，同样是使用自举技术，
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采用 多个三极管与电阻的组合来构成自举緩冲器，而本专利技术仅使用 一个运算放大器来实现。 这样做有两个优点1、运算放大器使用方便且性能统一；2、由于运算放大器具有极大 开环增益，所以当其处在负反馈状态作为緩冲器工作时，比起
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中的緩冲器发挥 的自举功能来效果要明显得多，因此本专利技术最终达到的最高带宽12必fe,比同样使用了自 举技术的
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中放大器的带宽l必fe要高得多。 与
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《一种使用光电二极管寄生电容自举抑制技术和垂直门限调整技术实现 的增益54必0 +本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光电二极管放大器，将增益带宽乘积在１．６ＧＨｚ以上的第一运算放大器ａ的正输入端接地，负输入端连结到增益电阻ｂ一端，该增益电阻ｂ是一个阻值为１０－１３０ｋΩ的贴片式金属薄膜电阻，第一运算放大器ａ的输出端ｅ与增益电阻ｂ的另一端连结，将寄生电容在５０ｐＦ－５ｎＦ的光电二极管ｃ的负极与第一运算放大器ａ的正输入端相连，并将光电二极管ｃ的正负极分别连结到电压增益为１的自举缓冲器的输入端与输出端上；其特征在于：所述自举缓冲器由负输入端与输出相连结的增益带宽乘积在４５ＭＨｚ以上的第二运算放大器ｄ构成，该第二运算放大器ｄ的负输入端构成所述自举缓冲器的输入端，第二运算放大器ｄ的输出端构成所述自举缓冲器的输出端。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张永明，蔡霆力，张启兴，王进军，方俊，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：34[中国|安徽]