CN106052857A - 一种具有温度补偿功能的光电检测电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了具有温度补偿功能的光电检测电路，包括将光信号转换为电信号的光电二极管，用于将光电流转换为电压信号的电阻，用于检测电压信号的比较电路；所述光电二极管第一端接地或接电源电压，光电二极管第二端接电阻的第一端，光电二极管与电阻的公共节点连接比较电路的第一信号输入端，电阻的第二端连接比较电路的第二信号输入端。本发明只包括光电二极管、电阻和比较电路，与传统的光电检测电路相比，无需运算放大器、参考电压或者参考电流源，降低了电路的复杂度，有效减小电路面积和成本。本发明可应用芯片安全防护领域，也可用于光纤通信领域。

Description

一种具有温度补偿功能的光电检测电路
技术领域
本发明涉及集成电路领域，具体为一种具有温度补偿功能的光电检测电路。
背景技术
光电检测技术是一种将光信号转化为电信号并对电信号进行后续处理的技术。传统的光检测电路是采用光电二极管将光信号转换为电流信号，然后使用后续电路对该电流信号进行处理，例如通过放大器放大电流信号，对放大后的信号进行检测或测量。
图1为传统的光电检测电路的电路图，该电路包括电阻110、光电二极管120、放大器130、参考电压模块140和比较器150；电阻110和放大器130将光电二极管120所产生的光电流转换成电压信号VA，其电压值为光电流值与电阻阻值的乘积，参考电压模块140输出参考电压信号VREF，通过比较器实现VREF与VA信号的比较，输出检测结果。电路中需要使用放大器电路，同时要求参考电压模块输出参考电压。
传统的光电检测电路中的光电二极管有采用外部分离元件实现的，这种方法使得光电检测电路容易受到外界干扰。如果在MEMS工艺下设计光电二极管，实现光电检测电路的集成，这种方法使得整体成本很高。参考专利CN 103162821B中提到在标准CMOS工艺下采用双极型晶体管(三极管)替代光电二极管实现光电转换功能。
传统的光电检测电路通常采用将光电流与参考电流进行比较，或者将光电流转换成电压再与参考电压进行比较的方式实现。其中参考专利CN 103616073B通过OSC模块所产生的时钟信号控制光敏管支路，光敏管产生的光电流驱动电阻产生电压信号，在于参考电压信号进行比较。当无光照时电路输出低电平，当有光照时电路输出时钟信号。参考专利CN103162821B通过光电三级管产生的光电流与参考电流比较输出检测结果，电路中还提到了通过两个光电三极管消除暗电流的方法。
然而，光电二极管本身的光电转换效率与温度呈正比例关系，同时光电二极管的暗电流(无光照时)与温度也呈正比例关系，所以传统的光电检测电路不同温度条件下检测效果会有一定差异。对于用于芯片安全防护的光电开盖检测电路，在安全电路极限工作温度条件下，传统的光电开盖检测电路很可能会失效，芯片此时遭受攻击，光电开盖检测电路无法输出告警信号，导致芯片内部数据被窃取，将会造成严重后果。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种该电路结构简单，稳定可靠，电路采用补偿技术，可以补偿光电二极管的温度特性，提高光电检测电路的温度性能。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种具有温度补偿功能的光电检测电路，包括将光信号转换为电信号的光电二极管，用于将光电流转换为电压信号的电阻，用于检测电压信号的比较电路；所述光电二极管第一端接地或接电源电压，光电二极管第二端接电阻的第一端，光电二极管与电阻的公共节点连接比较电路的第一信号输入端，电阻的第二端连接比较电路的第二信号输入端。
作为优选方式，所述的光电二极管通过标准CMOS工艺实现，对于P衬底工艺，通过P型衬底与N阱形成光电二极管或者通过P衬底与N+注入形成光电二极管；对于N衬底工艺，通过N型衬底与P阱形成光电二极管或者通过N衬底与P+注入形成光电二极管。
作为优选方式，所述的比较电路具有阈值电压，当两输入端压差大于阈值电压时，比较电路输出低电平，当两输入端压差小于阈值电压时，比较电路输出高电平。
作为优选方式，所述的比较电路的阈值电压与温度正相关，实现对光电二极管温度特性的补偿。
作为优选方式，所述的比较电路设置有输入对管，输入对管为MOS管，MOS管的宽长比比值为N，且N为整数。
作为优选方式，所述的光电二极管的阴极接比较电路的正向输入端，比较电路的负向输入端接电源电压；所述的比较电路设置有第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管、第五MOS管、第一电流源和第二电流源，光电二极管的阳极接地，阴极连接电阻，第一MOS管、第二MOS管和第三MOS管为PMOS管，第四MOS管和第五MOS管均为NMOS管，第四MOS管和第五MOS管的宽长比比值为1：N，第一MOS管的栅极与第二MOS管的栅极连接，第二MOS管的漏极分别连接第三MOS管的栅极和第五MOS管的漏极，第一MOS管的源极、第二MOS管的源极以及第三MOS管的源极均接电源电压，第三MOS管连接第一电流源第一端，第三MOS管与第一电流源的公共节点连接比较电路的输出端；第四MOS管的栅极连接电阻与电源电压的公共节点，第四MOS管的源极与第五MOS管的源极相连，第四MOS管与第五MOS管的公共节点连接第二电流源第一端，第一电流源第二端、第二电流源第二端均接地；第五MOS管的栅极连接电阻与光电二极管的公共节点。
作为优选方式，所述的比较电路设置有第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管、第五MOS管、第一电流源和第二电流源，光电二极管的阴极接电源电压，阳极连接电阻；电源电压分别连接第一电流源第一端和第二电流源第一端，第一电流源第一端分别连接第四MOS管的源极和第五MOS管的源极，第五MOS管的栅极连接电阻和光电二极管的公共节点，第四MOS管的栅极与电阻的公共节点连接VCM电压信号，VCM电压信号可以调节比较电路的输入共模电平，也可以用来调节光电二极管反向电压，可以有效屏蔽电源抖动对电路的干扰；第四MOS管的漏极连接第一MOS管的漏极，第一MOS管的栅极连接第一MOS管的漏极，第一MOS管的栅极连接第二MOS管的栅极，第二MOS管的漏极分别连接第五MOS关的漏极和第三MOS管的栅极，第一MOS管源极、第二MOS管源极和第三MOS管源极均接地，第三MOS管的漏极连接第二电流源第二端，第三MOS管与第二电流源的公共节点连接比较电路的输出端。
一种具有温度补偿功能的光电检测电路的光电检测方法，所述的光电感应器件依据光照情况产生光电流，光电流驱动电阻产生光电压Vlight，利用MOS器件导电特性产生与温度正相关的参考电压VREF，最后通过光电压Vlight与参考电压VREF比较输出检测结果；或者电路使用电流比较的方式实现，光电感应器件依据光照情况产生光电流Ilight，利用MOS器件或晶体管的导电特性产生与温度正相关的参考电流IREF，最后通过光电流Ilight与参考电流IREF比较输出检测结果。
本发明的有益效果是：该具有温度补偿功能的光电检测电路只包括光电二极管、电阻和比较电路，与传统的光电检测电路相比，无需运算放大器、参考电压或者参考电流源，降低了电路的复杂度，有效减小电路面积和成本。该光电检测电路具有温度补偿功能，有效保证了在不同温度条件下电路的性能，尤其适用于芯片安全防护，当整体芯片在极端温度条件下工作时，光电检测电路能正确判断芯片是否被开盖探测。本发明结构简单，稳定可靠，电路采用补偿技术，可以补偿光电二极管的温度特性，提高光电检测电路的温度性能。可应用芯片安全防护领域，也可用于光纤通信领域。
附图说明
图1是光电检测电路现有技术的示意图；
图2是本发明一种具有温度补偿功能的光电检测电路的示意图；
图3是本发明实施例一提供的光电检测电路的原理图；
图4是本发明实施例二提供的光电检测电路的电路图；
图5是本发明实施例的光电检测方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
实施例一
如图2、图3所示，一种具有温度补偿功能的光电检测电路，该光电检测电路包括用于将光信号转换为电信号的光电二极管210，用于将光电流转换为电压信号的电阻220，用于检测电压信号的比较电路230。
光电二极管210一端接地，另一端接电阻220和比较电路230的输入。
电阻220一端连接电源电压，另一端连接光电二极管210的阴极和比较电路230的输入。
比较电路230的一个输入端连接电源，另一端连接光电二极管210的阴极和电阻220。
在本发明所述的一种具有温度补偿功能的光电检测电路，所述光电二极管210通过标准CMOS工艺实现，对于P衬底工艺，通过P型衬底与N阱形成光电二极管，或者通过P衬底与N+注入形成光电二极管。对于N衬底工艺，通过N型衬底与P阱形成光电二极管，或者通过N衬底与P+注入形成光电二极管。
在本发明所述的一种具有温度补偿功能的光电检测电路，所述比较电路230，其特征在于，比较电路具有阈值电压VREF，当两输入端压差大于VREF时，比较器输出低电平，当两输入端压差小于VREF时，比较器输出高电平。
在本发明所述的一种具有温度补偿功能的光电检测电路，所述比较电路230，其特征在于，比较电路的阈值电压VREF与温度正相关，实现对光电二极管温度特性的补偿。
在本发明所述的一种具有温度补偿功能的光电检测电路，所述比较电路230，其特征在于，比较电路的输入对管为MOS管，MOS管的宽长比比值为N，且N为整数。
图3是本发明一实施例提供的光电检测电路的电路图，其中光电二极管210的阳极接地，阴极连接电阻220的一端和比较电路230的正向输入，电阻220一端接电源和比较电路230的负向输入，另一端连接光电二极管210的阴极和比较电路230的正向输入。
比较电路230由PMOS管331～333,NMOS管334、335和电流源336、337组成，其中NMOS管334和335的宽长比比值为1：N，由于输入对管宽长比不同，导致比较电路存在失调电压，将该失调电压视为光电检测电路的参考电压VREF，可以表示为VREF＝VTH333-VTH334,当NMOS管334和335工作在亚阈值区域时，由MOS器件的亚阈值导电特性可以推导出VREF＝ζVTln N，由此可知参考电压的温度系数为ζk ln N/q，为正值，可以实现温度补偿。当NMOS管334和335工作在饱和区时，由MOS器件的导电特性可以推导出该电压也是一个正温度系数电压，可以实现温度补偿。
当光电二极管210未受到光照时，产生电流I为0，电阻220上的压降为0，NMOS管333和334的栅极电压均为电源电压，其电压差小于阈值电压VREF，电路输出高电平。当光电二极管210受到光照时，产生电流I，由于MOS管栅极电阻近似为无穷大，所以该电流驱动电阻220，设电阻220的电阻为R,电阻220上产生电压为Vlight＝R×I，当Vlight<VREF时，电路输出高电平，当Vlight>VREF时，电路输出低电平，阈值光电流为I＝VREF/R。电路可以通过调节电阻220，实现光照强度触发阈值的调节，通过调节NMOS管333和334的宽长比比例实现温度补偿。
实施例二
如图4所示，其中光电二极管210的阴极接电源，阳极连接电阻220的一端和比较电路230的正向输入，电阻220一端接VCM信号和比较电路230的负向输入，另一端连接光电二极管210的阳极和比较电路230的正向输入。
电路中VCM信号为电压信号，可以调节比较电路230的输入共模电平，也可以用来调节光电二极管反向电压，可以有效屏蔽电源抖动对电路的干扰。
比较电路230由NMOS管441～443，PMOS管444、445和电流源446、447组成，其中PMOS管444和445的宽长比比值为1：N，由于输入对管宽长比不同，导致比较电路存在失调电压，将该失调电压视为光电检测电路的参考电压VREF，可以表示为VREF＝VTH444-VTH445,当PMOS管444和445工作在亚阈值区域时，由MOS器件的亚阈值导电特性可以推导出VREF＝ζVTln N，由此可知参考电压的温度系数为ζk ln N/q，为正值，可以实现温度补偿。当PMOS管444和445工作在饱和区时，由MOS器件的导电特性可以推导出该电压也是一个正温度系数电压，可以实现温度补偿。
当光电二极管210未受到光照时，产生电流I为0，电阻220上的压降为0，PMOS管444和445的栅极电压均为电源电压，其电压差小于阈值电压VREF，电路输出高电平。当光电二极管210受到光照时，产生电流I，由于MOS管栅极电阻近似为无穷大，所以该电流驱动电阻220，设电阻220的电阻为R,电阻220上产生电压为Vlight＝R×I，当Vlight<VREF时，电路输出高电平，当Vlight>VREF时，电路输出低电平，阈值光电流为I＝VREF/R。电路可以通过调节电阻220，实现光照强度触发阈值的调节，通过调节PMOS管444和445的宽长比比例实现温度补偿。
如图5所示，一种具有温度补偿功能的光电检测电路的光电检测方法，所述的光电感应器件依据光照情况产生光电流，光电流驱动电阻产生光电压Vlight，利用MOS器件导电特性产生与温度正相关的参考电压VREF，最后通过光电压Vlight与参考电压VREF比较输出检测结果；或者电路使用电流比较的方式实现，光电感应器件依据光照情况产生光电流Ilight，利用MOS器件或晶体管的导电特性产生与温度正相关的参考电流IREF，最后通过光电流Ilight与参考电流IREF比较输出检测结果。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，应当指出的是，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种具有温度补偿功能的光电检测电路，其特征在于：它包括将光信号转换为电信号的光电二极管，用于将光电流转换为电压信号的电阻，用于检测电压信号的比较电路；所述光电二极管第一端接地或接电源电压，光电二极管第二端接电阻的第一端，光电二极管与电阻的公共节点连接比较电路的第一信号输入端，电阻的第二端连接比较电路的第二信号输入端。
2.根据权利要求1所述的一种具有温度补偿功能的光电检测电路，其特征在于：所述的光电二极管通过标准CMOS工艺实现，对于P衬底工艺，通过P型衬底与N阱形成光电二极管或者通过P衬底与N+注入形成光电二极管；对于N衬底工艺，通过N型衬底与P阱形成光电二极管或者通过N衬底与P+注入形成光电二极管。
3.根据权利要求1或2所述的一种具有温度补偿功能的光电检测电路，其特征在于：所述的比较电路具有阈值电压，当两输入端压差大于阈值电压时，比较电路输出低电平，当两输入端压差小于阈值电压时，比较电路输出高电平。
4.根据权利要求3所述的一种具有温度补偿功能的光电检测电路，其特征在于：所述的比较电路的阈值电压与温度正相关，实现对光电二极管温度特性的补偿。
5.根据权利要求4所述的一种具有温度补偿功能的光电检测电路，其特征在于：所述的比较电路设置有输入对管，输入对管为MOS管，MOS管的宽长比比值为N，且N为整数。
6.根据权利要求5所述的一种具有温度补偿功能的光电检测电路，其特征在于：所述的光电二极管的阴极接比较电路的正向输入端，比较电路的负向输入端接电源电压；所述的比较电路设置有第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管、第五MOS管、第一电流源和第二电流源，光电二极管的阳极接地，阴极连接电阻，第一MOS管、第二MOS管和第三MOS管为PMOS管，第四MOS管和第五MOS管均为NMOS管，第四MOS管和第五MOS管的宽长比比值为1：N，第一MOS管的栅极与第二MOS管的栅极连接，第二MOS管的漏极分别连接第三MOS管的栅极和第五MOS管的漏极，第一MOS管的源极、第二MOS管的源极以及第三MOS管的源极均接电源电压，第三MOS管连接第一电流源第一端，第三MOS管与第一电流源的公共节点连接比较电路的输出端；第四MOS管的栅极连接电阻与电源电压的公共节点，第四MOS管的源极与第五MOS管的源极相连，第四MOS管与第五MOS管的公共节点连接第二电流源第一端，第一电流源第二端、第二电流源第二端均接地；第五MOS管的栅极连接电阻与光电二极管的公共节点。
7.根据权利要求5所述的一种具有温度补偿功能的光电检测电路，其特征在于：所述的比较电路设置有第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管、第五MOS管、第一电流源和第二电流源，光电二极管的阴极接电源电压，阳极连接电阻；电源电压分别连接第一电流源第一端和第二电流源第一端，第一电流源第一端分别连接第四MOS管的源极和第五MOS管的源极，第五MOS管的栅极连接电阻和光电二极管的公共节点，第四MOS管的栅极与电阻的公共节点连接VCM电压信号，VCM电压信号可以调节比较电路的输入共模电平，也可以用来调节光电二极管反向电压，可以有效屏蔽电源抖动对电路的干扰；第四MOS管的漏极连接第一MOS管的漏极，第一MOS管的栅极连接第一MOS管的漏极，第一MOS管的栅极连接第二MOS管的栅极，第二MOS管的漏极分别连接第五MOS关的漏极和第三MOS管的栅极，第一MOS管源极、第二MOS管源极和第三MOS管源极均接地，第三MOS管的漏极连接第二电流源第二端，第三MOS管与第二电流源的公共节点连接比较电路的输出端。
8.一种具有温度补偿功能的光电检测电路的光电检测方法，其特征在于：所述的光电感应器件依据光照情况产生光电流，光电流驱动电阻产生光电压Vlight，利用MOS器件导电特性产生与温度正相关的参考电压VREF，最后通过光电压Vlight与参考电压VREF比较输出检测结果；或者电路使用电流比较的方式实现，光电感应器件依据光照情况产生光电流Ilight，利用MOS器件或晶体管的导电特性产生与温度正相关的参考电流IREF，最后通过光电流Ilight与参考电流IREF比较输出检测结果。
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