CN104092441B - 一种基于4H-SiC衬底的单片集成紫外光接收机前端放大电路 - Google Patents

一种基于4H-SiC衬底的单片集成紫外光接收机前端放大电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于4H‑SiC衬底的单片集成紫外光接收机前端放大电路，其特征在于，包括依次串联且集成在4H‑SiC衬底上的：紫外探测器、RGC输入电路、电压增益电路和输出电路，前述RGC输入电路采用4H‑SiC MESFET器件设计，由共栅级放大电路和共源级放大电路级联构成反馈；还包括：两端分别与电压增益电路的输入端、输出电路的输出端连接的负反馈电路。本发明的有益之处在于：通过RGC输入电路、电压增益电路和输出电路有效的转移了电路主极点，拓展了电路带宽；基于4H‑SiC衬底，具有抗高温、抗高功率、抗辐射的优点，能在其它接收机不能适应的恶劣环境下工作；电路有较宽的带宽与低的电路噪声，适用于紫外光通信，可以应用在卫星探测等领域。

Description

一种基于4H-SiC衬底的单片集成紫外光接收机前端放大电路
技术领域
本发明涉及一种紫外光接收机前端放大电路，具体涉及一种基于4H-SiC衬底的单片集成紫外光接收机前端放大电路，属于电学技术领域。
背景技术
随着信息产业的不断发展，光通信网络正变的越来越重要。依靠大的传输容量与不断增长的速度使得人们越来越青睐以光为载体进行信息的传播。把光子器件与电子器件集成在一块衬底上的光电集成电路也随之诞生。光电集成电路具有体积小、重量轻、低噪声、高的可靠性以及低的集成电感与电容等优点，使得其在电信系统、计算机系统、军事系统以及光信息处理系统等领域中占有越来越重要的地位。
近年来紫外光探测技术得到了迅猛的发展，并逐渐发展成为又一军民两用的光电综合技术。军事方面，可用于导弹预警、导弹制导和紫外通信等方面；民用方面，主要应用于测量空气中的紫外线含量、燃烧工程和紫外水净化处理等领域。随着技术的进一步提高，紫外探测技术的应用前景和市场将更加广泛，现已成为世界各国研究发展的热点。
用于紫外探测的光接收机得到了普遍关注。进而以紫外光为背景的光电集成电路引起了人们的广泛兴趣，如何将系统中光发射机或接收机等部分的光子器件和电子器件集成于同一芯片上成为了研究的热点。这种单片集成器件在性能和可靠性等方面具有传统电路无法比拟的优越性。并且由于紫外探测技术一般应用在航空航天、人造卫星、太空探测等恶劣环境下，这就要求所使用的材料要有在高温、高频、高功率、高辐照等条件下工作的能力。第三代半导体凭借独特的优势，在高温大功率方面展现了良好的特性，得到了人们的大量关注。这其中SiC材料由于禁带宽度大，是制作耐高温、耐腐蚀、抗辐射的理想材料，用来解决高温、大功率以及极端环境的问题具有很大潜力。另外高的截止频率与大的击穿电压特性也使它在光接收机前置放大器中的应用具有很好的优势。因此以SiC为基础的光接收机模块的设计具有重要的意义。然而不论是光学器件还是SiC器件，目前都没有成熟的电路模型进行电路设计，如果要利用微电子电路的模拟方法对光电集成电路(OEIC)进行模拟分析，则需要首先建立它们的等效电路模型。
在整个光接收机系统中，前置放大器是最为关键的器件,它决定了整个接收机系统的灵敏度和带宽。前置放大器的作用是将光探测器输出的电流信号转换为电压信号。由于光电探测器中输出的电流信号非常小，这就对前置放大器的带宽与噪声提出了要求，一般提高带宽的方法有电感峰化、共源级输入等。但是这些方法存在有一定的不足之处，例如：用电感峰化技术会使得芯片面积较大，同时电感的引入会增加电路信号的延迟，另外电感峰化技术不适合集成。共源级输入能够提高电路的噪声性能和线性度，但是对输入电容影响的抑制作用差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于4H-SiC衬底的、结构简单、具有更宽的带宽和更低的噪声的单片集成紫外光接收机前端放大电路。
为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：
一种基于4H-SiC衬底的单片集成紫外光接收机前端放大电路，其特征在于，包括：
紫外探测器U1：阳极与RGC输入电路的输入端连接、阴极与直流电压源V2的正极连接，用来将接收到的紫外光信号转换为电流信号，
RGC输入电路：输入端与紫外探测器U1的阳极连接、输出端与电压增益电路的输入端连接，用来将紫外探测器U1传来的电流信号转化为电压信号，同时屏蔽紫外探测器U1的电容，拓展电路带宽，
电压增益电路：输入端与RGC输入电路的输出端连接、输出端与输出电路的输入端连接，用来进一步放大RGC输入电路输出的信号，提高输出信号的增益，
输出电路：输入端与电压增益电路的输出端连接，用于驱动后续电路，并且隔离内部电路与后续电路，
前述紫外探测器U1、RGC输入电路、电压增益电路、输出电路集成在4H-SiC衬底上。
前述的基于4H-SiC衬底的单片集成紫外光接收机前端放大电路，其特征在于，前述RGC输入电路采用4H-SiC MESFET器件设计，由共栅级放大电路和共源级放大电路级联构成反馈，
前述共栅级放大电路由电阻Rd、Rs和晶体管M2组成，前述电阻Rd的一端与电压VDD连接、另一端与晶体管M2的漏端连接，前述电阻Rs的一端与晶体管M2的源端连接、另一端接地，前述晶体管M2的源端和漏端分别为共栅极放大电路的输入端和输出端，晶体管M2的栅端通过共源级放大电路中的电阻RL接电压VDD，形成共栅极结构，
前述共源级放大电路由电阻RL和晶体管M1组成，前述晶体管M1的源端接地、漏端与电阻RL的一端连接，电阻RL的另一端连接到电压VDD，前述晶体管M1的栅端和漏端分别为共源级放大电路的输入端和输出端，
前述共源级放大电路的输入端、输出端分别与共栅级放大电路的输入端、晶体管M2的栅端连接，
前述共栅极放大电路的输入端和输出端分别为RGC输入电路的输入端和输出端。
前述的基于4H-SiC衬底的单片集成紫外光接收机前端放大电路，其特征在于，前述电压增益电路由电阻R1、R2和晶体管M3构成，前述电阻R1的一端与电压VDD连接、另一端与晶体管M3的漏端连接，电阻R2的一端与晶体管M3的源端连接、另一端接地，前述晶体管M3的栅端和漏端分别为电压增益电路的输入端和输出端。
前述的基于4H-SiC衬底的单片集成紫外光接收机前端放大电路，其特征在于，前述输出电路由晶体管M4和电阻R构成，前述电阻R的一端与晶体管M4的源级连接、另一端接地，前述晶体管M4的漏极与电压VDD连接，晶体管M4的栅端和源端分别为输出电路的输入端和输出端。
前述的基于4H-SiC衬底的单片集成紫外光接收机前端放大电路，其特征在于，前述紫外探测器为4H-SiC紫外探测器。
前述的基于4H-SiC衬底的单片集成紫外光接收机前端放大电路，其特征在于，前述4H-SiC紫外探测器呈MSM结构，由两个背靠背的肖特基势垒二极管构成。
前述的基于4H-SiC衬底的单片集成紫外光接收机前端放大电路，其特征在于，还包括：负反馈电路，
前述负反馈电路由电阻RF构成，前述电阻RF的两端分别与电压增益电路的输入端、输出电路的输出端连接，起到稳定输出信号的作用。
本发明的有益之处在于：
1、通过RGC输入电路、电压增益电路和输出电路有效的转移了电路主极点，拓展了电路带宽；
2、基于4H-SiC衬底，具有抗高温、抗高功率、抗辐射的优点，能在其它接收机不能适应的恶劣环境下工作；
3、电路有较宽的带宽与低的电路噪声，适用于紫外光通信，可以应用在卫星探测等领域。
附图说明
图1是本发明的紫外光接收机前端放大电路的组成原理图；
图2是本发明的紫外光接收机前端放大电路的电路图；
图3是图2中的呈MSM结构的紫外探测器的等效电路图。
图4是本发明的紫外光接收机前端电路的仿真的频率特性曲线图；
图5是本发明的紫外光接收机前端电路的仿真的瞬态特性曲线图；
图6是本发明的紫外光接收机前端电路的仿真的输入噪声特性曲线图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。
参照图1和图2，本发明的基于4H-SiC衬底的单片集成紫外光接收机前端放大电路包括：紫外探测器U1、RGC输入电路、电压增益电路和输出电路，并且紫外探测器U1、RGC输入电路、电压增益电路和输出电路均集成在4H-SiC衬底上。其中：
1、紫外探测器U1用来将接收到的紫外光信号转换为电流信号，其阳极与RGC输入电路的输入端连接，阴极与直流电压源V2的正极连接，V2的负极接地，紫外探测器U1的两端并联有一电阻Rg，电阻Rg是紫外探测器U1的负载。
作为一种优选的方案，紫外探测器U1为4H-SiC紫外探测器。更为优选的是，4H-SiC紫外探测器U1呈MSM结构，由两个背靠背的肖特基势垒二极管构成。正常工作时两个二极管耗尽区相连，并且具有相同的电场方向，当偏置在足够大的电压下，总是有一个二极管处于反向偏置，因此具有小的反偏电流与高的响应度。
基于MSM结构紫外探测器的工作原理，从载流子连续性方程出发，建立其等效电路模型，如图3所示。该电路模型有三个端点，Pin端点为虚拟端口，利用电信号模拟光信号的输入，NA、NB两端点依次为探测器的正极与负极。
由于紫外探测器的MSM平面结构简单，所以MSM结构的紫外探测器与场效应管有良好的兼容性。
2、RGC输入电路用来将紫外探测器U1传来的电流信号转化为电压信号，同时屏蔽紫外探测器U1的电容，拓展电路带宽，RGC输入电路的输入端与紫外探测器U1的阳极连接，输出端与电压增益电路的输入端连接。
3、电压增益电路用来进一步放大RGC输入电路输出的信号，提高输出信号的增益，电压增益电路的输入端与RGC输入电路的输出端连接，输出端与输出电路的输入端连接。
4、输出电路的输入端与电压增益电路的输出端连接。输出电路用于驱动后续电路，并且隔离了内部电路与后续电路，从而提高了前端放大电路的驱动能力。
作为一种优选的方案，参照图1和图2，本发明的基于4H-SiC衬底的单片集成紫外光接收机前端放大电路还包括：负反馈电路。负反馈电路由电阻RF构成，电阻RF的一端与电压增益电路的输入端连接、另一端与输出电路的输出端连接，当输出信号增加时，电阻RF(负反馈电路)将高电平反馈回电压增益电路的输入端，由晶体管M3将晶体管M3的漏端电位拉低，该信号又作为晶体管M4的栅电位，因此晶体管M4源极跟随器的输出信号降低，即输出电路的输出电位下降，从而起到了稳定输出信号的作用，反之亦然。
在本发明中，RGC输入电路优选采用4H-SiC MESFET器件设计，并且其由共栅级放大电路和共源级放大电路级联构成反馈。下面分别介绍共栅级放大电路和共源级放大电路。
参照图2，共栅级放大电路由电阻Rd、Rs和晶体管M2组成，其中，电阻Rd的一端与电压VDD连接、另一端与晶体管M2的漏端连接，电阻Rs的一端与晶体管M2的源端连接、另一端接地。晶体管M2的源端为共栅极放大电路的输入端，晶体管M2的漏端为共栅极放大电路的输出端，晶体管M2的栅端通过共源级放大电路中的电阻RL接电压VDD，形成共栅极结构。
参照图2，共源级放大电路由电阻RL和晶体管M1组成，晶体管M1的源端接地、漏端与电阻RL的一端连接，电阻RL的另一端连接到电压VDD。晶体管M1的栅端为共源级放大电路的输入端，晶体管M1的漏端为共源级放大电路的输出端。
共栅级放大电路和共源级放大电路之间的连接关系如下：共源级放大电路的输入端即晶体管M1的栅端与共栅级放大电路的输入端即晶体管M2的源端连接，共源级放大电路的输出端即晶体管M1的漏端与晶体管M2的栅端连接，从而形成负反馈环路，能够有效稳定共栅极放大电路的输出信号。
在共栅级放大电路和共源级放大电路中，共栅极放大电路的输入端即晶体管M2的源端为RGC输入电路的输入端，RGC输入电路的输入端与紫外探测器U1的阳极连接；共栅极放大电路的输出端即晶体管M2的漏端为RGC输入电路的输出端，RGC输入电路的输出端与电压增益电路的输入端连接。
作为一种优选的方案，参照图2，电压增益电路由电阻R1、R2和晶体管M3构成，其中，电阻R1的一端与电压VDD连接、另一端与晶体管M3的漏端连接，电阻R2的一端与晶体管M3的源端连接、另一端接地。晶体管M3的栅端为电压增益电路的输入端，电压增益电路的输入端与RGC输入电路的输出端即晶体管M2的漏端连接；晶体管M3的漏端为电压增益电路的输出端，电压增益电路的输出端与输出电路的输入端连接。
作为一种优选的方案，参照图2，输出电路由晶体管M4和电阻R构成，其中，电阻R的一端与晶体管M4的源级连接、另一端接地，晶体管M4的漏极与电压VDD连接。晶体管M4的栅端为输出电路的输入端，输出电路的输入端与电压增益电路的输出端即晶体管M3的漏端连接；晶体管M4的源端为输出电路的输出端，输出电路的输出端与负反馈电路的一端连接，负反馈电路的另一端与电压增益电路的输入端连接。
通过在PSpcie中仿真，我们得到了整体电路的幅频特性、瞬态特性以及等效输入噪声曲线，分别参见图4、图5和图6。
由此可见，采用4H-SiC MESFET设计的单片集成紫外光接收机前端放大电路具有良好的特性：带宽更宽，噪声更低。
需要说明的是，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于4H-SiC衬底的单片集成紫外光接收机前端放大电路，其特征在于，包括：
紫外探测器U1：阳极与RGC输入电路的输入端连接、阴极与直流电压源V2的正极连接，用来将接收到的紫外光信号转换为电流信号；
RGC输入电路：输入端与紫外探测器U1的阳极连接、输出端与电压增益电路的输入端连接，用来将紫外探测器U1传来的电流信号转化为电压信号，同时屏蔽紫外探测器U1的电容，拓展电路带宽；
电压增益电路：输入端与RGC输入电路的输出端连接、输出端与输出电路的输入端连接，用来进一步放大RGC输入电路输出的信号，提高输出信号的增益；
输出电路：输入端与电压增益电路的输出端连接，用于驱动后续电路，并且隔离内部电路与后续电路；
所述紫外探测器U1、RGC输入电路、电压增益电路、输出电路集成在4H-SiC衬底上；
所述RGC输入电路采用4H-SiC MESFET器件设计，由共栅极放大电路和共源极放大电路级联构成反馈；
所述共栅极放大电路由电阻Rd、Rs和晶体管M2组成，所述电阻Rd的一端与电压VDD连接、另一端与晶体管M2的漏端连接，所述电阻Rs的一端与晶体管M2的源端连接、另一端接地，所述晶体管M2的源端和漏端分别为共栅极放大电路的输入端和输出端，晶体管M2的栅端通过共源极放大电路中的电阻RL接电压VDD，形成共栅极结构；
所述共源极放大电路由电阻RL和晶体管M1组成，所述晶体管M1的源端接地、漏端与电阻RL的一端连接，电阻RL的另一端连接到电压VDD，所述晶体管M1的栅端和漏端分别为共源极放大电路的输入端和输出端；
所述共源极放大电路的输入端、输出端分别与共栅极放大电路的输入端、晶体管M2的栅端连接；
所述共栅极放大电路的输入端和输出端分别为RGC输入电路的输入端和输出端；
所述电压增益电路由电阻R1、R2和晶体管M3构成，所述电阻R1的一端与电压VDD连接、另一端与晶体管M3的漏端连接，电阻R2的一端与晶体管M3的源端连接、另一端接地，所述晶体管M3的栅端和漏端分别为电压增益电路的输入端和输出端。
2.根据权利要求1所述的基于4H-SiC衬底的单片集成紫外光接收机前端放大电路，其特征在于，所述输出电路由晶体管M4和电阻R构成，所述电阻R的一端与晶体管M4的源极连接、另一端接地，所述晶体管M4的漏极与电压VDD连接，晶体管M4的栅端和源端分别为输出电路的输入端和输出端。
3.根据权利要求1所述的基于4H-SiC衬底的单片集成紫外光接收机前端放大电路，其特征在于，所述紫外探测器为4H-SiC紫外探测器。
4.根据权利要求3所述的基于4H-SiC衬底的单片集成紫外光接收机前端放大电路，其特征在于，所述4H-SiC紫外探测器呈MSM结构，由两个背靠背的肖特基势垒二极管构成。
5.根据权利要求1至4任意一项所述的基于4H-SiC衬底的单片集成紫外光接收机前端放大电路，其特征在于，还包括：负反馈电路；
所述负反馈电路由电阻RF构成，所述电阻RF的两端分别与电压增益电路的输入端、输出电路的输出端连接，起到稳定输出信号的作用。
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