[实用新型]与红外低阻抗光导探测器匹配的CMOS放大电路

说明书

技术领域

本专利涉及一种CMOS电路设计方法，特别涉及一种能与长波红外低阻抗光导探测器匹配的低温下工作的CMOS放大电路。

背景技术

目前，波长在12微米以上波长的探测器仍以HgCdTe光导型探测器为主，其电阻非常低，为50欧姆左右，很难与高阻的CMOS电路相匹配。部分应用甚至要求波长达到15微米，但无论探测器的规模有多大，几乎所有的光导探测器都是不带RIOC的器件，信号的读出和处理全部通过外围电子线路完成，对系统应用造成很大的限制。目前的红外焦平面ROIC几乎都是针对光伏型探测器的。长波光导探测器之所以未实现焦平面集成，主要原因之一是没有合适的光导型焦平面ROIC。为了实现焦平面集成，减小系统总体噪声，需要读出电路与红外探测器近距离连接，即光导探测器电路也工作在低温。随着IC技术的发展，CMOS电路的设计和加工能力得到大幅提高，研制适用于HgCdTe光导型焦平面的ROIC电路已成为可能。事实上，非致冷微测辐射热计红外焦平面（Bolometer UFPA）就是一种常温工作的光导型焦平面器件，借鉴其ROIC的设计思路，可以尝试研制HgCdTe长波光导焦平面的ROIC。

发明内容

本专利的目的是克服现有条件的不足，设计了一种CMOS电路，在前端采用桥式输入方式，解决了与低阻抗探测器匹配的问题，该电路可以应用到20欧姆到200欧姆低阻抗探测器信号的放大，并能在液氮温度下工作。

本专利解决的技术问题是提供一种能适应低输入阻抗光导型探测器的低温CMOS电路。所述的CMOS放大电路在输入端采用桥式电路方式，其中一条为探测器与10K欧姆电阻串联；另一条桥路的电阻采用比值高于200倍的两个电阻串联；其双端输入单端输出放大器采用正负电源供电；在负输入端与输出之间采用阻值高于1M欧姆的反馈电阻来实现第一级放大；第二级放大采用正端放大方式，放大倍数高于10倍；桥式输入、第一级和第二级之间均采用直接耦合。

本专利的特点是：前端为桥式方式，探测器电阻的微小变化能使桥失去平衡，其电压差直接输入到放大器的正负输入端实现差分放大，反馈电阻设计为1M欧姆，在保证了足够大的放大倍数同时又保证了放大器的带宽。如果流过探测器的电流太大，会使探测器发热加剧，增大系统制冷要求，但太小的电流会使探测器产生的电压信号太小，不利于信号的高性能读出，所以偏置电阻设计为10K欧姆，±1.5伏到±5伏供电时流过探测器的电流为500微安到150微安左右。由于与探测器对应的桥设计为10K欧姆和50欧姆，所以从偏置端引入的噪声到放大器输入端时能减小200倍，大大减小了系统噪声。

本专利的特点是：该结构采用两级放大的方式，两级之间采用直接连接的方式，防止了电容耦合带来的噪声和带宽问题。第一级设计了电阻负反馈放大，第二级采用正端放大方式，足够大的放大倍数有效地降低了等效输入噪声，两级不同的放大方式有效利用了不同放大方式带来的优点，降低了单一放大方式的多级连接可能带来的电路振荡现象。

本专利包含了以下测试结果：

1经过测试，该系统在常温下其等效输入噪声小于3微伏，其常温的电压放大倍数超过1万倍，3DB带宽大于10KHZ。

2在低温下，该放大器与探测器连接后能正常工作，其放大倍数是常温的2.5倍，其等效输入噪声小于常温，带宽大于3ＫＨＺ。

附图说明

图1桥式输入方式和低阻抗CMOS放大器第一级。光导探测器、R4、R7、R8构成桥式电路。

图2低阻抗CMOS放大器第二级。为正端放大方式，信号从正端输入，输出与输入同相位。

图3低阻抗放大器全图。第一级与第二级之间直接耦合，无耦合电容，该方式能同时放大直流和交流信号。

图4低阻抗放大器仿真结果图。左边为交流信号仿真，右边为瞬态信号仿真结果。OUT1为第一级输出信号，OUT2为第二级输出信号。

具体实施方式

实施例1

图1为放大器的桥式方式和第一级放大。R4与红外光导探测器相连，本电路设计为10K欧姆，若要加大或减小流过光导探测器的电流，可以加大或减小R4的电阻。R7与R4对应，其阻值应设计为相等，本电路也设计为10K欧姆。R8与光导探测器对应，大小设计与探测器的电阻大小相当，本电路设计为50欧姆左右。若探测器的电阻与R8的大小不一致，可以通过调节Vbias使电路在静态时其输出电压为零伏左右。该放大器适合20欧姆到200欧姆低输入阻抗光导探测器信号的放大。当红外光导探测器接受红外信号后，其电阻发生微小变化，引起IN与REF端的电压差发生改变，其改变量通过后面的放大器使红外信号顺利读出。