CN102638231A - 一种用于高速微弱光电信号探测的全定制芯片设计方法 - Google Patents

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余金金
陈永平
袁红辉
陈世军
邓若汉
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Abstract

本发明公开了一种用于高速微弱光电信号探测的全定制CMOS芯片设计方案。本发明采用全定制的CMOS芯片实现单片集成下的放大处理电路。RGC跨阻放大器作为与探测器互连的前端放大器，用改进型的Cherry-Hooper结构作为宽带电压放大器，中间插入MOS_L模块用于扩展带宽，输出端采用开环比较器式单端输出方式。基于模拟集成电路EDA平台，提出了各模块之间互连的设计方法。

Description

一种用于高速微弱光电信号探测的全定制芯片设计方法
技术领域
本发明涉及微弱光电信号检测技术以及集成电路设计技术，实现快速放大由微弱光信号转变的电信号。 
背景技术
光电技术是当今科技领域中最重要也是发展最快的技术之一。对光的探测要求已经达到了微弱光信号甚至单光子的程度。当然随之对于光电二极管或是雪崩二极管等所产生的微弱电信号的检测放大处理电路的要求也越来越高。脉冲激光测距精度也从米级发展到厘米级甚至毫米级。光电通讯同样依赖于光电探测技术，在数据传输量和传输速度要求越来越高的情况下，对于处理数模转换的前端放大器的要求也日益提高。这些都要求探测器和处理电路有更好的性能，如更低的暗电流、更快的响应速度、更高的增益、更短的延迟等等。 
当前用于激光回波探测电路系统多由分立元件构成，这些在保证精度的同时，即追求高速的同时会面对较大的噪声干扰，加之分立元件的体积不利于便携化微型化的系统设计前景。最近国内外文献中都有关于芯片级的模块设计的提出。如文献Sung Min Park等人在“1.25-Gb/s Regulated Cascode CMOS Transimpedance Amplifier for Gigabit Ethernet Applications”,IEEE J.Solid-State Circuits,2004 Vol.39,No.1中介绍了RGC结构。Chao-Hsin Lu and Wei-Zen Chen等在Bandwidth Enhancement Techniques for Transimpedance Amplifier in CMOS Technologies 2001 European Solid-State Circuits Conference的国际会议里有MOS_L的结构原理介绍。C.Hermans,M.Steyaert,A high-speed 850-nm optical  receiver front-end in 0.18-μm CMOS,IEEE J.of Solid-State Circuits,Vol.41(7),1606-1614,(2006)提出了改进型的切瑞-霍伯（Cherry-Hooper）结构。 
发明内容
基于以上背景，该发明对采用了RGC跨阻放大器作为前置放大器，选用改进型的Cherry-Hooper结构作为宽带电压放大器，并且加入了MOS_L的带宽展宽技术在输入端采用单端输出的芯片设计流程提出了设计方法，实现各模块间的互连匹配。 
为了达到高速高增益的要求，本设计在已有的文献或是专利的基础上采用了三点改进： 
a.跨阻放大器中加入MOS_L技术用以展宽带宽（附图中的上方模块中标出）。 
b.采用改进型的Cherry-Hooper结构作为单元放大器（附图中中间模块）。 
c.采用单端输出将差分信号转化为单端信号更方便与板级电路连接（附图中下方模块）。 
附图说明
图1是芯片电路图。 
具体实施方式
在EDA平台上，以0.5μmCMOS标准工艺库为例，挑选合适的晶体管作为电路结构设计仿真。 
1.根据采用的光电探测器的结电容大小（2pf-5pf）和脉冲电流范围（100nA-10μA），设计出电流源和电容并联的输入模块，接入RGC跨阻放大器的输入端作为输入信号。 
2.根据采用光电探测器的工作电压范围（反向偏压5v左右），调节RGC 输入端的电压值约为电源电压的一半。 
3.根据RGC的输出端电压与MOS_L结构后的输出电压值选择Rf（10MΩ）实现跨阻反馈，MOS_L结构中通过改变电阻（附图中该结构内的R4）的大小，调节范围在1KΩ-1MΩ之间，在保证频幅曲线光滑的前提下选择合适的带宽扩展程度。最后通过调节M4、M5的宽长比，获得合适的直流电平，该电压值作为宽带放大器的输入电压值。 
4.调节改进型Cherry-Hooper结构内部的电阻（附图中该结构中的R1R2）比值与晶体管宽长比，使得输入输出的直流电平相同，此处直流电平尽量接近MOS_L输出电平。Cherry-Hooper结构中首先要控制输出输入电平的匹配，由于单级放大器的增益较小，需要三级级联实现需要的增益值。单元结构中通过R1、R2的比值调节来提高增益保证带宽。 
5.根据输出端将驱动的电容值（10pf以上负载）以及单端要求，选用双端转单端的比较器电路模块实现单端输出，并且根据电容大小调节尾电流来实现快速响应，并且给出足量的电压摆幅（1v以上）。 
6.确定电路整体仿真的输入输出环境，综合调试并优化。 

Claims (1)

1.一种用于高速微弱光电信号探测的全定制芯片设计方法，该芯片由前置的RGC跨阻放大器，MOS_L的带宽展宽结构，改进型的切瑞-霍伯宽带放大器，单端的输出组成，其特征在于该芯片的设计方法步骤如下：
a.光电探测器的结电容大小2pf-5pf和脉冲电流范围100nA-10μA，设计出电流源和电容并联的输入模块；
b.根据采用光电探测器的工作电压反向偏压5v，调节RGC输入端的电压值约为电源电压5v的一半；
c.根据RGC的输出端电压与MOS_L结构后的输出电压值选择Rf为10MΩ实现跨阻反馈，MOS_L结构中通过改变电阻R4的大小，调节范围在1KΩ-1MΩ之间，在保证频幅曲线光滑的前提下选择合适的带宽扩展程度。最后通过调节M4、M5的宽长比，获得1.5-2.5V的直流电平；
d.调节改进型切瑞-霍伯单元放大器内部的电阻R1R2比值与晶体管宽长比，使得输入输出的直流电平相同，此处直流电平尽量接近MOS_L输出电平，单元结构中通过R1、R2的比值调节来提高增益保证带宽；
f.根据输出端将驱动的电容值为10pf以上负载以及单端要求，选用双端转单端的比较器电路模块实现单端输出，并且给出1v以上的电压摆幅。
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