CN101285706A

CN101285706A - 一种差分输入的低温红外探测器微弱电流放大器

Info

Publication number: CN101285706A
Application number: CNA2008100383145A
Authority: CN
Inventors: 袁红辉; 陈永平; 陈世军; 刘强; 徐星; 王欣
Original assignee: Shanghai Institute of Technical Physics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Technical Physics of CAS
Priority date: 2008-05-30
Filing date: 2008-05-30
Publication date: 2008-10-15

Abstract

本发明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。

Description

一种差分输入的低温红外探测器微弱电流放大器

技术领域

本发明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。

背景技术

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技术领域的放大器，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10MΩ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。

发明内容

本发明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1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)。

管子	M1、M2	M3、M4	M5、M6	M7、M8	M9、M10	M15	M16
管子	M1、M2	M3、M4	M5、M6	M7、M8	M9、M10	M15	M16	W/L	1500/1.5	60/10	20/10	80/10	10/10	10/50	10/30

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41MΩ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。

本发明的优点如下：

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/HZ^1/2@1KHz。

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1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。

具体实施方法

下面结合附图对本发明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M1、M2管决定，其等效输入噪声电压计算公式为：

S_{v_{e}} (f) = \frac{8}{3} \frac{kT}{g_{m}} + \frac{K_{f}}{C_{ox}^{2} WL} \frac{1}{f}

(其中

g_{m} = \sqrt{2 K_{p} \frac{W}{L} I_{ds}}

)

第一项为沟道热噪声，第二项为1/f噪声。

g_m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g_m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1500μm/1.5μm来增大g_m，在画版图时用72个41.7μm/1.5μm的管子组成输入对管M1、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I_ds来增大g_m，在调节偏置时，我们把I_ds调到80μA左右，这样可以很大程度上减少沟道热噪声。但I_ds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耗的折衷关系。

PMOS比NMOS的1/f噪声小，所以输入管M1、M2选PMOS减小了1/f噪声。另外增大W×L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V_T增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17MΩ，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

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100。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

Vn = \frac{V}{\sqrt{1.57 \times f \div Q}} .

在常温下测得点噪声为0.03PA/HZ^1/2@1KHz，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/HZ^1/2@1KHz。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电阻，四元集成放大器芯片的面积为在3mm×1.9mm(如图3所示)，有效的减小了芯片总面积。

低温微弱电流放大器的3dB带宽由反馈电阻RF和反馈电容CF共同决定，与反馈电阻RF和反馈电容CF的乘积成反比，即：

f = \frac{1}{2 πτ} = \frac{1}{2 πRF \times CF},

反馈电阻RF、CF太大的话会导致3dB带宽变小，本低温微弱电流放大器设计的反馈电阻在低温77K下为41MΩ，反馈电容大小为1PF，通过低温77K带宽测试，结果如图5所示，低温的3dB带宽为5KHz左右，满足红外探测器在低温77K工作的正常要求。

放大器在设计时，输入端与输出端增加了1PF的反馈电容CF(如图1所示)，目的是消除放大器100KHz以上的高频振荡，测试结果显示，该方法达到了很好的效果，放大器无高频振荡。

在画放大器版图时，所有的对管都采用叉指晶体管，尽量保证上下和左右对称，这样可以减小前放的输入端失调，测试结果表明放大器的输入失调电压很小，常温为-1.9mV，液氮77K温度为-2.1mV。

由于该放大器采用了折叠共源共栅结构。工作电压范围较大，在±3伏和±1.2伏之间都能正常工作。工作电压的不同导致了单元功耗的不同，在液氮温度77K下的测试结果如下：

供电电压(V)	±2	±1.8	±1.7	±1.6	±1.5
供电电压(V)	±2	±1.8	±1.7	±1.6	±1.5	单元功耗(mW)	1.3	1.0	0.75	0.50	0.32

理论上功耗越小噪声越大，这些指标用户可以根据具体情况选择合适的供电电压。

Claims

1.一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。

2.根据权利要求1所述的一种差分输入的低温红外探测器微弱电流放大器，其特征在于：所说的低温放大器在77K及以上温度工作。