CN105827236A - 一种用于驱动硅基雪崩光电二极管的电路结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于驱动硅基雪崩光电二极管的电路结构，其包括光伏二极管阵列、硅基雪崩光电二极管、充放电管理电路、场效应晶体管、高压偏置电路和偏置电压设置电路；所述充放电管理电路输入端的两端与光伏二极管阵列的正负极相连；充放电管理电路输出端的两端与场效应晶体管的栅极和源极相连；所述硅基雪崩光电二极管的阳极与场效应晶体管的漏极相连；高压偏置电路的输出端与硅基雪崩光电二极管的负极相连，偏置电压设置电路的输出端与高压偏置电路的输入端相连；本发明的有益效果是：该电路结构的响应速度快，无光时暗电流极低，光‑电流增益高，控制电路具有良好的隔离效果，电路功耗低且电路结构较为简单。

Description

一种用于驱动硅基雪崩光电二极管的电路结构
技术领域
本发明涉及一种电路结构，具体的涉及一种用于驱动硅基雪崩光电二极管的电路结构。
背景技术
光电集成电路是指一种将光电器件和微电子器件集成在同一块基片上从而实现某种特定功能的集成化电路，它极大程度的消除了传统电路中负面的寄生效应，减少了混合电路中的组装环节，将电子设备输出的电信号转换成了具有优良复用能力、更低传输损耗、更强抗干扰性能以及更优传输速度的光信号，因为这些显著的特点其被广泛应用于光纤通信、光控雷达系统、光盘系统、医疗系统、激光测距和光电检测等领域。而硅基光电集成电路进一步的将光电设备或光学设备(如光电池，光电探测器，光波导)和微电子器件(如BJT，CMOS，BICMOS电路等)集成在同一块硅基衬底上。硅基光电集成的出现使得制造成本进一步的降低，研发周期进一步缩短，与电路的兼容性得到显著提高可靠性大大加强。
硅基雪崩光电二极管一直是硅基光电集成领域的一个热点课题，它主要是利用了载流子的雪崩倍增效应来放大光电信号以提高检测的灵敏度，因此相较于传统的PIN型光电探测器，其具有增益高，响应速度快，灵敏度高，不受磁场影响，可在室温范围工作等优点，在400nm～1100nm波段的弱光探测技术领域中占据重要地位。
用于控制硅基雪崩光电二极管的驱动电路则应具备输出偏置电压稳定、低暗电流、控制灵敏度高等特点。本发明所采用的驱动电路结构利用了硅基光电池阵列、充放电管理电路和常开型金属氧化物场效应晶体管组成控制电路，实现了利用光信号控制雪崩光电二极管的目的，使其在无光信号时输出断开，雪崩光电二极管的输出电流几乎为0；有光信号时，雪崩光电二极管工作在较大偏置电压下，输出正常的光电流。相较于传统驱动电路，此控制电路无需额外电源供电，功耗较低，电路噪声更小，并且与其它电路相互隔离。
中国专利公开号CN104180790A，具体公开一种新型Si-APD器件，其涉及一种新型硅基雪崩光电二极管，根据集成电路工艺上相邻器件性能一致的原理设计出的带负反馈控制环路的电路结构，它是为了解决传统动态偏置复杂性问题。然而其电路结构并未对暗电流和响应时间特性进行相应的优化，其相关特性并未得到改善。
中国专利公开号CN103594468A，具体公开一种快速光电探测器，其能够提升光电探测器的响应速度。然而其结构是传统结构的改进，其光-电流增益及响应速度相较于雪崩击穿二极管仍有一定差距。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种用于驱动硅基雪崩光电二极管的电路结构，该电路结构有效解决现有技术存在的硅基雪崩光电二极管电路暗电流较大，响应速度低，结构复杂，控制电路功耗较高等上述存在的问题。
本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：
一种用于驱动硅基雪崩光电二极管的电路结构，其包括二极管；所述二极管包括光伏二极管阵列和硅基雪崩光电二极管，该电路结构还包括充放电管理电路、场效应晶体管、高压偏置电路和偏置电压设置电路；所述光伏二极管阵列用于响应光信号产生光伏输出电压；充放电管理电路输入端的两端与光伏二极管阵列的正负极相连；充放电管理电路输出端的两端与场效应晶体管的栅极和源极相连；所述硅基雪崩光电二极管的阳极与场效应晶体管的漏极相连；高压偏置电路的输出端与硅基雪崩光电二极管的负极相连，偏置电压设置电路的输出端与高压偏置电路的输入端相连。
本发明进一步改进在于：光伏二极管阵列和硅基雪崩光电二极管同时接收光信号；其中，光伏二极管阵列由于光伏效应将产生一个输出电压，硅基雪崩光电二极管在高偏置电压的驱动下将产生光生电流。
本发明进一步改进在于：所述场效应晶体管采用常开型金属氧化物场效应晶体管；其通过充放电管理电路完成栅源极电容的充放电。
本发明进一步改进在于：当无光照条件下时，常开型金属氧化物场效应晶体管的栅源极电容通过充放电管理电路放电，并最终处于截止状态，此时硅基雪崩光电二极管的阳极几乎处于断开状态，输出电流极低；当有光照条件下时，光伏二极管阵列通过充放电管理电路对常开型金属氧化物场效应晶体管的栅源极电容进行充电，并使晶体最终导通，此时硅基雪崩光电二极管处于高偏置电压状态下，接受光照后产生较大的输出电流。
本发明进一步改进在于：外界采用LED光源提供光照条件，所述LED光源两端施加电压后，LED光源导通并发射光信号，其中光伏二极管阵列和硅基雪崩光电二极管同时接收到光信号。
本发明进一步改进在于：偏置电压设置电路将用于调整施加到硅基雪崩光电二极管两端的偏置电压；高压偏置电路将输出一个稳定的硅基雪崩光电二极管偏置电压。
本发明的有益效果是：
1、本发明采用光伏二极管阵列硅基光电池阵列、充放电管理电路和常开型金属氧化物场效应晶体管组成控制电路，实现了利用光信号控制雪崩光电二极管的目的，使其在无光信号时输出断开，雪崩光电二极管的输出电流几乎为0；有光信号时，雪崩光电二极管工作在较大偏置电压下，输出正常的光电流。相较于传统驱动电路，此控制电路无需额外电源供电，功耗较低，电路噪声更小，并且与其它电路相互隔离。
2、本发明具有普通硅基雪崩光电二极管的所有优点，包括增益大，响应速度快，结构简单等，并且在这些优点的基础上，本发明还具有输出暗电流更低，开关速度更快，偏置电压稳定，电路噪声更小的特点。
本电路结构的响应速度快，无光时暗电流极低，光-电流增益高，控制电路具有良好的隔离效果，电路功耗低且电路结构较为简单。
附图说明
图1为本发明电路结构示意图；
其中：101-LED光源，102-光伏二极管阵列，103-硅基雪崩光电二极管，104-场效应晶体管，105-充放电管理电路，106-高压偏置电路，107-偏置电压设置电路。
图2为本发明充放电管理电路结构示意图；
其中：202-光伏二极管阵列，204-常开型金属氧化物场效应晶体管，205-三极管，206-调节电阻，207-二极管。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
如图1所示，一种用于驱动硅基雪崩光电二极管的电路结构，其包括二极管；所述二极管包括光伏二极管阵列102和硅基雪崩光电二极管103，该电路结构还包括充放电管理电路105、场效应晶体管104、高压偏置电路106和偏置电压设置电路107；所述光伏二极管阵列102用于响应光信号产生光伏输出电压；充放电管理电路105输入端的两端与光伏二极管阵列102的正负极相连；充放电管理电路105输出端的两端与场效应晶体管104的栅极和源极相连；所述硅基雪崩光电二极管103的阳极与场效应晶体管104的漏极相连；高压偏置电路106的输出端与硅基雪崩光电二极管103的负极相连，偏置电压设置电路107的输出端与高压偏置电路106的输入端相连。
外界采用LED光源101提供光照条件，所述LED光源101两端施加电压后，LED光源101导通并发射光信号，其中光伏二极管阵列102和硅基雪崩光电二极管103同时接收到光信号。所述光伏二极管阵列102和硅基雪崩光电二极管103同时接收光信号；其中，光伏二极管阵列102由于光伏效应将产生一个输出电压，硅基雪崩光电二极管103在高偏置电压的驱动下将产生光生电流。
所述场效应晶体管104采用常开型金属氧化物场效应晶体管；其通过充放电管理电路105完成栅源极电容的充放电。当无光照条件下时，常开型金属氧化物场效应晶体管104的栅源极电容通过充放电管理电路105放电，并最终处于截止状态，此时硅基雪崩光电二极管103的阳极几乎处于断开状态，输出电流极低；当有光照条件下时，光伏二极管阵列102通过充放电管理电路105对常开型金属氧化物场效应晶体管104的栅源极电容进行充电，并使晶体最终导通，此时硅基雪崩光电二极管103处于高偏置电压状态下，接受光照后产生较大的输出电流。
充放电管理电路105能够实现对常开型金属氧化物场效应晶体管104的栅源极电容进行快速充放电，有效减小信号的上升/下降时间。
偏置电压设置电路107将用于调整施加到硅基雪崩光电二极管103两端的偏置电压；高压偏置电路106将输出一个稳定的硅基雪崩光电二极管103偏置电压。
如图2所示，为本发明的一种充放电管理电路结构，当有光信号输入时，光伏二极管阵列202产生光伏电压经调节电阻206和二极管207给常开型金属氧化物场效应晶体管204的栅极充电，三极管205截止；无光信号时，三极管205导通，栅源极电容通过三极管205快速放电。
本发明提供了一种用于驱动硅基雪崩光电二极管的电路结构，该电路结构的响应速度快，无光时暗电流极低，光-电流增益高，控制电路具有良好的隔离效果，电路功耗低且电路结构较为简单。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种用于驱动硅基雪崩光电二极管的电路结构，其包括二极管；其特征在于：所述二极管包括光伏二极管阵列(102)和硅基雪崩光电二极管(103)，该电路结构还包括充放电管理电路(105)、场效应晶体管(104)、高压偏置电路(106)和偏置电压设置电路(107)；所述光伏二极管阵列(102)用于响应光信号产生光伏输出电压；充放电管理电路(105)输入端的两端与光伏二极管阵列(102)的正负极相连；充放电管理电路(105)输出端的两端与场效应晶体管(104)的栅极和源极相连；所述硅基雪崩光电二极管(103)的阳极与场效应晶体管(104)的漏极相连；高压偏置电路(106)的输出端与硅基雪崩光电二极管(103)的负极相连，偏置电压设置电路(107)的输出端与高压偏置电路(106)的输入端相连。
2.根据权利要求1所述的一种用于驱动硅基雪崩光电二极管的电路结构，其特征在于：光伏二极管阵列(102)和硅基雪崩光电二极管(103)同时接收光信号；其中，光伏二极管阵列(102)由于光伏效应将产生一个输出电压，硅基雪崩光电二极管(103)在高偏置电压的驱动下将产生光生电流。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于驱动硅基雪崩光电二极管的电路结构，其特征在于：所述场效应晶体管(104)采用常开型金属氧化物场效应晶体管；其通过充放电管理电路(105)完成栅源极电容的充放电。
4.根据权利要求3所述的一种用于驱动硅基雪崩光电二极管的电路结构，其特征在于：当无光照条件下时，常开型金属氧化物场效应晶体管(104)的栅源极电容通过充放电管理电路(105)放电，并最终处于截止状态，此时硅基雪崩光电二极管(103)的阳极几乎处于断开状态，输出电流极低；当有光照条件下时，光伏二极管阵列(102)通过充放电管理电路(105)对常开型金属氧化物场效应晶体管(104)的栅源极电容进行充电，并使晶体最终导通，此时硅基雪崩光电二极管(103)处于高偏置电压状态下，接受光照后产生较大的输出电流。
5.根据权利要求4所述的一种用于驱动硅基雪崩光电二极管的电路结构，其特征在于：外界采用LED光源(101)提供光照条件，所述LED光源(101)两端施加电压后，LED光源(101)导通并发射光信号，其中光伏二极管阵列(102)和硅基雪崩光电二极管(103)同时接收到光信号。
6.根据权利要求5所述的一种用于驱动硅基雪崩光电二极管的电路结构，其特征在于：偏置电压设置电路(107)将用于调整施加到硅基雪崩光电二极管(103)两端的偏置电压；高压偏置电路(106)将输出一个稳定的硅基雪崩光电二极管(103)偏置电压。
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