CN106253859A - 一种光探测器及其组件和光电前端放大器电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光探测器及其组件和光电前端放大器电路，属于四象限光电探测应用技术领域，所述光电前端放大器电路包括低噪声前端跨阻放大器、中间级电压放大器与输出缓冲放大器三级结构，三级电路通过直流耦合构成宽带放大器，本发明的有益效果在于电路结构与现有探测器工艺兼容，可以单片集成减小四象光电限探测器体积、功耗、成本，提升可靠性。

Description

一种光探测器及其组件和光电前端放大器电路

技术领域

本发明涉及电子电路技术领域，特别是涉及光探测器、以及其中的光电前端放大器电路。

背景技术

传统的四象限光探测器组件，除了四象限探测器外，前端放大器通常采用模块/混合集成方式，具有体积大、成本高、可靠性低等缺点。随着单片工艺、电路技术的进步，研制单片集成的多通道光电前端放大器成为可能，甚至把探测器和前端放大器全单片集成的光电一体化设计也已开始探索。研究适合单片多通道单片集成的宽带大动态范围光电前端放大器电路设计技术，对四象限光探测器组件的研制具有积极重要的意义。

光电前端放大器第一级为跨阻放大器，基本原理架构如图1所示，前向放大器为反相电压放大器，电压增益设为A，输入/输出端跨接一个反馈电阻R，Cin和Cout表示输入输出寄生电容。光电二极管产生的光电流信号遇到电阻R产生电压信号。前向电压放大器本身输入阻抗为高阻，但由于反相放大的密勒等效效应，在A远大于1的情况下，从整体跨阻放大器输入端看入的阻抗远小于R，跨阻放大器跨阻增益近似为电阻R。

传统的跨阻放大器结构如图2所示，其中前向放大器仅由两个晶体管构成，晶体管M1构成共源电压放大器，M2构成电压缓冲器。由于MOS管增益相对较低，采用该结构很难同时实现高增益和高速度性能。该结构可直接改为双极电路，只要把两个NMOS晶体管换成NPN晶体管即可，在相近的工艺条件下，可以获得更好的增益速度性能。

一种创新的针对CMOS工艺的跨阻放大器结构如图3所示(发表于IEEE固体电路期刊JSSC，1994年12月)，该电路前向放大器采用三级反相放大结构以获得更高的前向放大倍数，从而允许更高的跨阻增益。最终在0.7μm工艺节点实现了150kΩ的跨阻增益和18THzΩ240Mb/s的性能指标。该电路结构只能采用CMOS工艺实现，无法直接移植到双极工艺。

发明专利(申请号CN 104104339 A)基于图3电路结构提出一种新的跨阻放大器结构，为扩展放大器动态范围，提出了一种改进电路结构，如图4所示。该专利主要针对反馈电阻通路进行修改，并入一个MOS二极管结构和分流结构。该电路同样只能采用CMOS工艺实现，无法直接移植到双极工艺。

另外，固态电路国际会议ISSCC2007报道了D.Micusík,H.Zimmermann的关于脉冲跨阻放大器的论文，该电路采用0.35μmSiGeBiCMOS工艺(主要采用双极NPN晶体管)，利用对数压缩电路结构，实现了112dB动态范围和240MHz带宽。该电路采用单5V电源，功耗电流达78mA。ISSCC2008再次报道D.Micusík,H.Zimmermann的论文，通过两级对数压缩提升抗饱和输入电流，动态范围提升到130dB，相应的功耗电流进一步增加到110mA。由于功耗电流太大，该电路并不适合单片多通道集成，所用工艺也不适合与现有四象限光电探测器集成。

2010年举办的固态电路国际会议ICSICT2010报道了黄文刚等人的单片四通道大动态范围光电前端放大器电路结构，该电路采用国内2μm标准双极工艺，跨阻放大器采用传统前向放大器结构，反馈通道利用集成肖特基二极管进行对数压缩，达到了118dB的输入动态范围，电源电压±5V，单路功耗电流仅2.5mA，达到产品化要求。但是该产品带宽只有不到5MHz，无法满足50ns级光电流脉冲信号检测需求，而且增益级采用运放结构，功耗面积相对更大。

综上所述，现有光电前端放大器往往无法在实现高增益和高速度性能的同时还可以保证适于光电探测器集成，这是目前困扰本领域技术人员的一个技术难题。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种光探测器及其组件和光电前端放大器电路，用于解决现有光电前端放大器往往无法在实现高增益和高速度性能的同时还可以保证适于光电探测器集成的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供以下技术方案：

一种光电前端放大器电路，其可以采用三级结构，其中：第一级放大电路的电路结构可以包括：跨阻放大器，至少包括NPN型三极管Q1和NPN型三极管Q2，所述NPN型三极管Q1的基极和所述NPN型三极管Q2发射极分别为所述跨阻放大器的输入端和输出端，所述NPN型三极管Q1集电极连接于所述NPN型三极管Q2的基极并通过电阻R1连接于第一电源，所述NPN型三极管Q1发射极接地并通过电阻R2连接于所述NPN型三极管Q2的发射极，所述NPN型三极管Q2的集电极连接于所述第一电源；反馈电路，连接于所述跨阻放大器的输入端和输出端之间，其包括二极管D1、电阻R3、电阻R4、以及NMOSFET晶体管M1，所述二极管D1及电阻R3并联于所述跨阻放大器的输入端和输出端之间，所述二极管D1的正极连接于所述跨阻放大器的输出端，所述二极管D1的负极连接于所述跨阻放大器的输入端；所述电阻R4和NMOSFET晶体管M1相串联并连接在所述跨阻放大器的输入端和输出端之间，NMOSFET晶体管M1用作开关，M1的栅极作为使能端。

上述电路为带程控增益功能的前端低噪声跨阻放大器，其跨阻增益可以反馈支路，决定跨阻放大器的跨阻增益。

优选地，所述光电前端放大器电路还可以包括第二级放大电路，其电路结构可以包括：共集共基电压放大器，用于对所述跨阻放大器输出电压信号进行宽带放大，所述共集共基电压放大器的静态工作点与所述第一级放大电路中的所述跨阻放大器直流耦合，且所述共集共基电压放大器的偏置电路可输出供特定负温度系数的偏置电流，提供温度补偿能力。

优选地，所述共集共基电压放大器的电路结构可以包括NPN型三极管Q3和NPN型三极管Q4，所述NPN型三极管Q3的基极和NPN型三极管Q4的集电极分别为所述共集共基电压放大器的输入端和输出端，所述NPN型三极管Q3的集电极连接于所述第一电源，所述NPN型三极管Q3的发射极通过电阻R5连接于所述NPN型三极管Q4的发射极，所述NPN型三极管Q4的基极接地，所述NPN型三极管Q4的集电极还通过电阻R6连接于所述第一电源，其中，所述共集共基电压放大器的电压增益由R6/R5比值决定。

优选地，所述共集共基电压放大器的偏置电路可以包括NPN型三极管Q5和NPN型三极管Q6，所述NPN型三极管Q5的基极通过电阻R7接地、以及通过电阻R8来分别连接于所述NPN型三极管Q6的集电极和电阻R9的一端，所述电阻R9的另一端连接于所述NPN型三极管Q6的基极，所述NPN型三极管Q6的基极还通过电阻R10连接于第二电源，所述NPN型三极管Q5的集电极连接于所述NPN型三极管Q4的发射极和电阻R5之间的连线上，所述NPN型三极管Q5的发射极通过电阻R11连接于所述第二电源，所述NPN型三极管Q6的发射极连接于所述第二电源，所述第二电源为负电源电压。本偏置电路可以提供特定负温度系数的偏置电流。

优选地，所述光电前端放大器电路还可以包括第三级放大电路，其电路结构包括：电压缓冲放大器，电路结构为达林顿结构，其静态工作点可与第二级放大电路中的所述共集共基电压放大器直流耦合，用于实现高信号隔离度和大电压驱动能力。

优选地，所述电压缓冲放大器的电路结构包括：NPN型三极管Q7、NPN型三极管Q8、NPN型三极管Q9及NPN型三极管Q10，所述NPN型三极管Q7的基极和所述NPN型三极管Q8的发射极分别作为所述电压缓冲放大器的输入端和输出端，所述NPN型三极管Q7的集电极连接第三电源，所述NPN型三极管Q7的发射极连接于所述NPN型三极管Q8的基极并通过电阻R12连接于所述NPN型三极管Q8的发射极，所述NPN型三极管Q8的集电极连接于所述第三电源，所述NPN型三极管Q9的基极连接于所述NPN型三极管Q10的发射极，所述NPN型三极管Q10的基极连接于所述NPN型三极管Q10的集电极并接地，所述NPN型三极管Q9的集电极连接于所述NPN型三极管Q8的发射极，所述NPN型三极管Q9的发射极通过电阻R13连接于所述第二电源，所述第三电源分别与所述第一电源和第二电源分开。通过本优选电路结构，可以实现电压信号的缓冲输出，注意其电源电压与前级分开，可以避免强输出信号对高灵敏度前级电路的干扰，保证整体电路的工作稳定性。

如上所述，本发明具有以下有益效果：本发明提供了一种双极工艺的光电前端放大器电路，适合与现有四象限探测器集成，可以减小四象限光电探测器的体积、功耗、成本，提升可靠性；同时其还可以提供大动态范围的宽带和满足高速光电流信号输入的性能。

附图说明

图1为跨阻放大器基本原理架构；

图2为传统的跨阻放大器结构；

图3为一种1994年发表的创新CMOS跨阻放大器结构；

图4为现有发明专利CN 104104339 A电路结构；

图5为本发明提供的一种光电前端放大器电路的电路图；

图6为本发明提供的另一种光电前端放大器电路的电路图；

图7为本发明提供的又一种光电前端放大器电路的电路图；

图8为本发明一种光电前端放大器电路的应用电路图。

附图标号说明

100 第一级放大电路

110 跨阻放大器

120 反馈电路

200 第二级放大电路

210 共集共基电压放大器

220 偏置电路

300 第三级放大电路

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

请见图5，本发明提供一种光电前端放大器电路，其包括以下电路结构：

跨阻放大器110，至少包括NPN型三极管Q1和NPN型三极管Q2，所述NPN型三极管Q1的基极和所述NPN型三极管Q2发射极分别为跨阻放大器110的输入端和输出端，所述NPN型三极管Q1集电极连接于所述NPN型三极管Q2的基极并通过电阻R1连接于第一电源，所述NPN型三极管Q1发射极接地并通过电阻R2连接于所述NPN型三极管Q2的发射极，所述NPN型三极管Q2的集电极连接于所述第一电源；

反馈电路120，连接于所述跨阻放大器110的输入端和输出端之间，其包括二极管D1、电阻R3、电阻R4、以及NMOSFET晶体管M1，所述二极管D1及电阻R3并联于所述跨阻放大器的输入端和输出端之间，所述二极管D1的正极连接于所述跨阻放大器的输出端，所述二极管D1的负极连接于所述跨阻放大器的输入端；所述电阻R4和NMOSFET晶体管M1相串联并连接在所述跨阻放大器的输入端和输出端之间，NMOSFET晶体管M1用作开关，M1的栅极作为使能端。

上述电路的工作原理在于：在跨阻放大器110的输入的光电流脉冲信号增大至所述电阻R1上压降达到二极管的导通压降时，触发所述二极管D1正向导通旁路电阻R1，跨阻放大器110增益下降实现对数压缩；以及在所述电阻R4和跨阻放大器110的输出端之间还串联有一用作开关的NMOSFET晶体管M1，所述NMOSFET晶体管M1的源极连接于所述电阻R4，所述NMOSFET晶体管M1的漏极连接于跨阻放大器110的输出端，通过在所述NMOSFET晶体管M1的栅极上施加使能信号来实现对跨阻放大器110的增益调节。

在具体实施中，所述电阻R4和NMOSFET晶体管M1相串联并连接在所述跨阻放大器的输入端和输出端之间的关系可以是“输入端->M1->R->输出端”的串联顺序，也可以是“输入端->R->M1->输出端”的串联顺序。

在一优选实施例中，上述电路结构中可以按照以下元件参数来实施：R1＝25kΩ、R2＝2kΩ、R4＝2kΩ、R3＝20kΩ。在该参数条件下，跨阻放大器110可以实现最大20kΩ的小信号跨阻增益。即当输入端的光电流信号过大(大约超过20μA)时，电阻R1上压降达到二极管的导通压降，二极管D1正向导通旁路电阻R1，跨阻放大器110增益下降实现对数压缩；NMOSFET晶体管M1用作开关，实现程控增益调节功能，当栅端VC施加高电平，该晶体管M1导通，放大器反馈通道串入旁路电阻R4，降低了放大器小信号增益，最低跨阻增益约1kΩ。

在具体实施中，上述电路结构可以作为光电前端放大器电路的第一级放大电路100，具体的来说，光电前端放大器电路往往都是采用多级放大的电路结构，一般的，在第一级放大电路100之后的放大电路作为一般的信号放大和负载匹配的目的。为此，同样可以在上述光电前端放大器电路之后设计多级放大电路。

在一优选实施例中，见图6，上述光电前端放大器电路还可以包括第二级放大电路200，其可以包括以下电路结构：

共集共基电压放大器210，用于对跨阻放大器110输出电压信号进行宽带放大，共集共基电压放大器210的静态工作点与第一级放大电路100中的跨阻放大器110直流耦合，且共集共基电压放大器210的偏置电路220可输出供特定负温度系数的偏置电流，提供温度补偿能力。

具体的，共集共基电压放大器210的电路结构可以包括NPN型三极管Q3和NPN型三极管Q4，所述NPN型三极管Q3的基极和NPN型三极管Q4的集电极分别为共集共基电压放大器210的输入端和输出端，所述NPN型三极管Q3的集电极连接于所述第一电源，所述NPN型三极管Q3的发射极通过电阻R5连接于所述NPN型三极管Q4的发射极，所述NPN型三极管Q4的基极接地，所述NPN型三极管Q4的集电极还通过电阻R6连接于所述第一电源，其中，共集共基电压放大器210的电压增益由R6/R5比值决定。

更为具体的，共集共基电压放大器210的偏置电路220至少包括NPN型三极管Q5和NPN型三极管Q6，所述NPN型三极管Q5的基极通过电阻R7接地、以及通过电阻R8来分别连接于所述NPN型三极管Q6的集电极和电阻R9的一端，所述电阻R9的另一端连接于所述NPN型三极管Q6的基极，所述NPN型三极管Q6的基极还通过电阻R10连接于第二电源，所述NPN型三极管Q5的集电极连接于所述NPN型三极管Q4的发射极和电阻R5之间的连线上，所述NPN型三极管Q5的发射极通过电阻R11连接于所述第二电源，所述NPN型三极管Q6的发射极连接于所述第二电源，所述第二电源为负电源电压。

在具体实施中，上述第二级放大电路200提供电压增益并满足输出幅度≥3V的要求。其中，电阻元件可以按照以下参数值来实施：R5＝1.5kΩ、R6＝9.5kΩ，在次条件下电压增益大约为6倍；此外，作为其偏置电路220，在以下元件参数值下由Q5输出的负温度系数电流约0.9mA：R11＝350Ω、R7＝20kΩ、R8＝900、R9＝5.5kΩ、R10＝20kΩ。

在一优选实施例中，见图7，上述光电前端放大器电路还可以包括第三级放大电路300，其可以包括以下电路结构：

电压缓冲放大器，其静态工作点可与第二级放大电路200中的共集共基电压放大器210直流耦合，用于实现高信号隔离度和大电压驱动能力。

在具体实施中，所述电压缓冲放大器可以为达林顿结构。

更为具体的来说，所述电压缓冲放大器的电路结构包括：NPN型三极管Q7、NPN型三极管Q8、NPN型三极管Q9及NPN型三极管Q10，所述NPN型三极管Q7的基极和所述NPN型三极管Q8的发射极分别作为所述电压缓冲放大器的输入端和输出端，所述NPN型三极管Q7的集电极连接第三电源，所述NPN型三极管Q7的发射极连接于所述NPN型三极管Q8的基极并通过电阻R12连接于所述NPN型三极管Q8的发射极，所述NPN型三极管Q8的集电极连接于所述第三电源，所述NPN型三极管Q9的基极连接于所述NPN型三极管Q10的发射极，所述NPN型三极管Q10的基极连接于所述NPN型三极管Q10的集电极并接地，所述NPN型三极管Q9的集电极连接于所述NPN型三极管Q8的发射极，所述NPN型三极管Q9的发射极通过电阻R13连接于所述第二电源，所述第三电源分别与所述第一电源和第二电源分开。

上述第三级放大电路300可以作为输出级，其中电阻参数值可以优选为：R12＝7kΩ、R13＝3.5kΩ，通过第三级放大电路300可以实现电压信号的缓冲输出。需要注意的是，上述第三级放大电路300的电源电压与前级分开，可以避免强输出信号对高灵敏度前级电路的干扰，保证整体电路的工作稳定性。

结合图7和图8，通过本发明一种光电前端放大器电路的应用电路图来说明本发明的优点和原理。

关于电路的工作原理过程：

见图8，本发明光电前端放大器电路即为图中的U1，在输入没有光脉冲信号时，PIN光敏二极管只有稳定的暗电流，电路部分工作在直流稳定状态。第一级放大电路100输出电压(Q2的发射极)约0.75V(忽略Q1基极电流在放大器反馈电阻R3上的压降)，Q4的发射极电压约-0.75V，因此R5上电压约0.75V，当R5电阻值为1.5kΩ时，其电流约0.5mA。Q5集电极吸入电流设计为0.9mA，因此Q4工作电流约0.4mA。R6电阻为9.5kΩ，因此Q4集电极输出电压为5-(9.5*0.4)＝1.2V，经过输出缓冲放大器Q7、Q8降压后，输出电压约1.2-(0.75*2)＝-0.3V。

当有光脉冲信号时，PIN光敏二极管出现相应的脉冲电流，该脉冲电流方向向下，由于放大器U1的高频等效输入阻抗(电容C1数值较大，典型值为0.1μF，高频下可视为短路，放大器输入阻抗约100～200Ω)远低于偏置电阻R1的阻值(设计为3kΩ)，因此该电流大部分由放大器输入端提供。换言之，脉冲信号大部分送给了放大器U1。如图7，输入端外流的脉冲电流在第一级放大电路100输出端产生正电压脉冲，该脉冲电压经过第二、三级放大电路放大后产生幅度更大的正电压脉冲，得到最终输出。因此总体电路实现了光脉冲信号到正电压脉冲信号的转换。电路的最大输出电压幅度在Q4完全关断时达到，此时输出电压约5-(0.75*2)＝3.5V。因此输出隔直后最大输出脉冲幅度可以达到3.5-(-0.3)＝3.8V。即电路静态工作时R6上的压降。

由于二极管的正向压降随温度会变化，因此上述分析中的0.75V只是常温下的典型值。为了保证全温范围电路有足够大的脉冲信号输出幅度，需要保证静态工作时R6上压降的温度稳定性。由前述静态工作点分析可以列出R6上压降表达式：

$V_{R6}\≈(I_{Q5}-\frac{V_{BE4}}{R5})\×R6=(I_{Q5}\×R5-V_{BE4})\×\frac{R6}{R5}$

考虑R6、R5为同类型电阻，温度系数匹配，其比值与温度无关。因此只要调节Q5电流的温度系数，使IQ5×R5温度系数与VBE匹配(约-2mV/℃)即可。

通过调节R11、R7～R10的电阻值，可以实现IQ5的负温度系数。具体而言，R9/R10比值越大，温度系数负值越大。

当然，采用其他电路结构也可能实现特定的负温度系数电流，如Widlar电流源等，只要温度系数满足要求，不影响本发明的实施效果。

关于电路带宽的估算：

整体电路为开环结构，因此只需依次估算各级放大器带宽即可估算出总体电路带宽。

第一级放大电路100是闭环反馈放大器，回路前向增益A基本就是晶体管Q1的电压增益，增益值近似为R1上电压降与热电压UT的比值，常温下UT≈26mV，由电路可以看出R1上电压降约5-2*0.75＝3.5V，因此回路前向增益为A＝3.5V/26mV≈135倍。

回路主极点在输入点，因为此处电容CM较大，近似为PIN二极管结电容(高频下C1可视为短路)和Q1集电结Miller电容的并联，CM≈50pF(其中PIN二极管结电容30pF，Q1集电极电容约0.15pF，135倍Miller放大后约20pF)。

考虑增益调节MOS管断开情况，回路增益带宽乘积近似为：

$GBW\≈\frac{A}{2{\mathrm{\πC}}_M{R}_3}\≈21.5MHz$

该频率也近似为第一级放大电路100的带宽。

当增益调节MOS管闭合后，电阻R4和R3通路并联，如前分析，第一级放大电路100带宽更高。

第二级放大电路200是开环结构，主极点在Q4集电极位置，该点电容约0.3pF，电阻即R6＝9.5kΩ，算得放大器带宽约55.8MHz。

输出级为达林顿结构，带宽更宽，不构成总体带宽限制。

因此整个放大器通路带宽大于15MHz(比第一级放大电路21.5MHz略小)。

上述分析中，各节点电容为所用典型工艺条件下近似值，如果工艺变化，带宽会发生相应变化，因此本电路结构具备通过改进工艺参数进一步提升信号带宽的潜力。

假设PIN光敏二极管在某光波长下的响应度为0.1μA/μW，以下例举几个实例来说明本电路具备的效果：

第一组信号：峰值功率为10μW的光脉冲，脉冲宽度为50ns，脉冲上升下降时间按理想估计(非常小忽略不计，假设带宽无限大)。经过PIN光敏二极管转换后，变为50ns宽的电流脉冲，该脉冲电流信号送入本专利电路输入端，脉冲电流流向向外，脉冲电流峰值大小为1μA，上升下降时间足够快忽略不计。设此时第一级放大电路中的增益控制MOS管关闭，则跨阻放大器110反馈电阻即20kΩ，带宽约20MHz。输入电流信号经过跨阻放大器110放大后输出正电压脉冲信号，脉冲峰值约20mV，脉冲上升下降时间约10ns(按20％～80％计)，脉冲宽度约50ns。该电压信号经过第二级放大电路200放大约6倍后，正电压脉冲峰值达到120mV，脉冲宽度仍约50ns。该信号经过输出缓冲器缓冲输出，考虑缓冲器驱动150Ω负载时的电压衰减，最终输出脉冲峰值约100mV，脉冲20％～80％上升下降时间约12～15ns，脉冲宽度约50ns。

第二组信号：峰值功率为1000μW的光脉冲，脉冲宽度为50ns，脉冲上升下降时间按理想估计(非常小忽略不计，假设带宽无限大)。经过PIN光敏二极管转换后，变为50ns宽的电流脉冲，该脉冲电流信号送入本专利电路输入端，脉冲电流流向向外，脉冲电流峰值大小为100μA，上升下降时间足够快忽略不计。设此时第一级放大电路增益控制MOS管关闭，由于输入信号幅度较大，如果不考虑反馈二极管，输出脉冲信号峰值将达到2000mV，该电压施加在反馈二极管正向，该二极管正向压降在常规小电流下只有0.5～0.7V(具体值与工艺细节有关)，因此反馈二极管必然导通钳位，限制输出电压脉冲幅度到0.5～0.7V。由于反馈二极管导通意味着反馈通道阻抗下降，第一级放大电路带宽会有所提升，因此输出脉冲上升下降时间略小于10ns(按20％～80％计)，脉冲宽度约50ns。该电压信号经过第二级放大电路200放大约6倍后，正电压脉冲峰值达到3～3.8V(第二级放大电路200最大输出幅度受限为3.8V)，脉冲宽度约50～70ns(由于信号钳位电荷存储效应，脉冲宽度略微展宽)。该信号经过输出缓冲器缓冲输出，考虑缓冲器驱动150Ω负载时的电压衰减，最终输出脉冲峰值约2.5～3.3V，脉冲20％～80％上升下降时间约8～15ns，脉冲宽度约50～80ns。

第三组信号：峰值功率为3000μW的光脉冲，脉冲宽度为50ns，脉冲上升下降时间按理想估计(非常小忽略不计，假设带宽无限大)。经过PIN光敏二极管转换后，变为50ns宽的电流脉冲，该脉冲电流信号送入本专利电路输入端，脉冲电流流向向外，脉冲电流峰值大小为300μA。设此时第一级放大电路增益控制MOS管开启，因此第一级放大电路增益约1.5kΩ，带宽大于20MHz，输出电压脉冲幅度450mV，输出脉冲上升下降时间小于10ns(按20％～80％计)，脉冲宽度约50ns。该电压信号经过第二级放大电路200放大约6倍后，正电压脉冲峰值达到2.7V，脉冲宽度约50ns。该信号经过输出缓冲器缓冲输出，考虑缓冲器驱动150Ω负载时的电压衰减，最终输出脉冲峰值约2.3V，脉冲20％～80％上升下降时间约8～12ns，脉冲宽度约50ns。

由上述工作过程分析可以看出，即使输入较大信号，电路内部也没有晶体管工作在饱和状态，避免电路饱和引入的脉冲宽度失真问题，实现了大动态范围性能。

本发明采用BiCMOS工艺制造，如不需要程控增益功能(去掉M1支路)，也可采用标准双极工艺实现，只需要NPN晶体管。

当采用2μm标准双极工艺制造时，整体电路最高跨阻增益约100kΩ(重负载150Ω)。带宽约15MHz。如果采用更先进的工艺(寄生电容更小，特征频率更高)，预计可以获得更高的带宽。

本发明的特点在于提供了一种宽带大动态范围的光电前端放大器结构，具有较简单的电路结构，无需大电容等单元器件，适合与现有四象限探测器单片工艺集成，可以大幅度减小四象光电限探测器体积、功耗、成本，提升可靠性；同时其满足高速光电流信号输入的要求。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种光电前端放大器电路，其特征在于，包括：

第一级放大电路，其包括以下电路结构：

跨阻放大器，至少包括NPN型三极管Q1和NPN型三极管Q2，所述NPN型三极管Q1的基极和所述NPN型三极管Q2发射极分别为所述跨阻放大器的输入端和输出端，所述NPN型三极管Q1集电极连接于所述NPN型三极管Q2的基极并通过电阻R1连接于第一电源，所述NPN型三极管Q1发射极接地并通过电阻R2连接于所述NPN型三极管Q2的发射极，所述NPN型三极管Q2的集电极连接于所述第一电源；

反馈电路，连接于所述跨阻放大器的输入端和输出端之间，其包括二极管D1、电阻R3、电阻R4、以及NMOSFET晶体管M1，所述二极管D1及电阻R3并联于所述跨阻放大器的输入端和输出端之间，所述二极管D1的正极连接于所述跨阻放大器的输出端，所述二极管D1的负极连接于所述跨阻放大器的输入端；所述电阻R4和NMOSFET晶体管M1相串联并连接在所述跨阻放大器的输入端和输出端之间，NMOSFET晶体管M1用作开关，M1的栅极作为使能端。

2.根据权利要求1所述的光电前端放大器电路，其特征在于，还包括：

第二级放大电路，其包括以下电路结构：

共集共基电压放大器，用于对所述跨阻放大器输出电压信号进行宽带放大，所述共集共基电压放大器的静态工作点与所述第一级放大电路中的所述跨阻放大器直流耦合，且所述共集共基电压放大器的偏置电路可输出供特定负温度系数的偏置电流，提供温度补偿能力。

3.根据权利要求3所述的光电前端放大器电路，其特征在于，所述共集共基电压放大器的电路结构包括NPN型三极管Q3和NPN型三极管Q4，所述NPN型三极管Q3的基极和NPN型三极管Q4的集电极分别为所述共集共基电压放大器的输入端和输出端，所述NPN型三极管Q3的集电极连接于所述第一电源，所述NPN型三极管Q3的发射极通过电阻R5连接于所述NPN型三极管Q4的发射极，所述NPN型三极管Q4的基极接地，所述NPN型三极管Q4的集电极还通过电阻R6连接于所述第一电源，其中，所述共集共基电压放大器的电压增益由R6/R5比值决定。

4.根据权利要求3所述的光电前端放大器电路，其特征在于，所述共集共基电压放大器的偏置电路至少包括NPN型三极管Q5和NPN型三极管Q6，所述NPN型三极管Q5的基极通过电阻R7接地、以及通过电阻R8来分别连接于所述NPN型三极管Q6的集电极和电阻R9的一端，所述电阻R9的另一端连接于所述NPN型三极管Q6的基极，所述NPN型三极管Q6的基极还通过电阻R10连接于第二电源，所述NPN型三极管Q5的集电极连接于所述NPN型三极管Q4的发射极和电阻R5之间的连线上，所述NPN型三极管Q5的发射极通过电阻R11连接于所述第二电源，所述NPN型三极管Q6的发射极连接于所述第二电源，所述第二电源为负电源电压。

5.根据权利要求2-4任一所述的光电前端放大器电路，其特征在于，还包括：

第三级放大电路，其包括以下电路结构：

电压缓冲放大器，电路结构为达林顿结构，其静态工作点可与第二级放大电路中的所述共集共基电压放大器直流耦合，用于实现高信号隔离度和大电压驱动能力。

6.根据权利要求5所述的光电前端放大器电路，其特征在于，所述电压缓冲放大器的电路结构包括：NPN型三极管Q7、NPN型三极管Q8、NPN型三极管Q9及NPN型三极管Q10，所述NPN型三极管Q7的基极和所述NPN型三极管Q8的发射极分别作为所述电压缓冲放大器的输入端和输出端，所述NPN型三极管Q7的集电极连接第三电源，所述NPN型三极管Q7的发射极连接于所述NPN型三极管Q8的基极并通过电阻R12连接于所述NPN型三极管Q8的发射极，所述NPN型三极管Q8的集电极连接于所述第三电源，所述NPN型三极管Q9的基极连接于所述NPN型三极管Q10的发射极，所述NPN型三极管Q10的基极连接于所述NPN型三极管Q10的集电极并接地，所述NPN型三极管Q9的集电极连接于所述NPN型三极管Q8的发射极，所述NPN型三极管Q9的发射极通过电阻R13连接于所述第二电源，所述第三电源分别与所述第一电源和第二电源分开。

7.一种光探测器组件，其特征在于：包括上述权利要求1-6中任一项光电前端放大器电路。

8.一种光探测器，其特征在于：包括权利要求7所述的光探测器组件。