[发明专利]应用于工作在线性模式下的雪崩光电二极管的接口电路

说明书

技术领域

本发明涉及模拟集成电路，尤其涉及一种应用于工作在线性模式下的雪崩光电二极管的接口电路，属于红外探测技术。

背景技术

光子探测技术是一项重要的微弱信号检测技术，特别是在红外通信波段。因为信号在光纤中传输损耗小、对人眼安全等特点，红外光子探测技术广泛应用在天文物理、生物超微弱发光、大气检测和遥感测距等方面。用雪崩光电二极管(APD)向红外方向拓展、进行光子探测是该技术发展的主流方向。利用雪崩光电二极管，感应激光回波信号得到电流信号，经接口电路转换为电压信号，然后通过后级信号处理，可获得激光的飞行时间、飞行距离等信息，即构成基本的红外传感读出电路(ROIC)系统。

ROIC系统中的传感检测器件主要是InGaAs APD，它是基于电离碰撞触发雪崩倍增机理的光电传感器件，利用载流子的雪崩效应产生瞬时脉冲电流。根据APD反偏电压与雪崩击穿电压的相对关系，可以分为线性和盖革两种偏置模式。当反偏电压略低于雪崩击穿电压时，APD工作在线性模式，输出的光感应电流大小与入射光强度成正比，微弱光子检测时光感应电流仅在微安量级。与盖革模式相比，线性模式偏置简单、功耗更低、寿命更长，更适合于大规模阵列系统的设计。

APD探测的电流信号，必须通过接口电路进行处理。接口电路检测APD传感器的输出电流信号，根据检测到的电流大小判断APD是否感应到光子，并输出相应有效的数字逻辑信号，提供后级读出电路进行处理。

APD工作在线性模式下，接口电路负责将检测到的微安量级的感应电流转化为可以为幅度检测器可以检测到的一定量级的电压，电路必须具有一定的信噪比，前置跨阻放大器(TIA)的等效输入噪声必须远低于检测的灵敏电流阈值。该电流信号也是一个纳秒级的窄脉冲信号，因此前置跨阻放大器必须具有较高的带宽。同时考虑到APD与线性接口连接后带来的皮法级的输入电容，前置跨阻放大器必须能够降低甚至消除这一大输入电容对带宽带来的影响。

APD线性模式下的接口电路要满足高增益、高带宽要求，其次由于是大阵列的应用同时需要考虑减小功耗和版图面积的因素，在设计上具有较大的难度。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种应用于工作在线性模式下的雪崩光电二极管的接口电路，以匹配工作在线性模式下的雪崩光电二极管，通过检测其输出电流的大小判断是否为微安级的光感应电流信号，并输出相应的数字逻辑信号；另外，本发明通过门控结构来控制电路的工作状态。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

应用于工作在线性模式下的雪崩光电二极管的接口电路，包括前置跨阻放大器、单转双电路、电压放大器、幅度检测器和门控电路，前置跨阻放大器的输入端作为该接口电路的输入端，前置跨阻放大器的输出端连接单转双电路的输入端，单转双电路的输出端连接电压放大器的输入端，电压放大器的输出端连接幅度检测器的输入端，幅度检测器的输出端作为该接口电路的输出端；

所述前置跨阻放大器，对雪崩光电二极管的微弱光感应电流信号进行放大，同时将放大后的电流信号转换为电压信号并输出；

所述单转双电路，将前置跨阻放大器输出的单端信号转换为差分信号并输出；

所述电压放大器，将单转双电路输出的差分信号幅度进一步放大至幅度检测器可以分辨的量级并输出；

所述幅度检测器，根据电压放大器输出的差分信号幅度的变化输出相应的数字逻辑信号；

所述门控电路，对前置跨阻放大器、单转双电路、电压放大器和幅度检测器的工作状态进行控制。

使用时，雪崩光电二极管(APD)的阴极连接直流电压，阳极连接前置跨阻放大器。该接口电路主要应用于ROIC系统中。

优选的，所述前置跨阻放大器采用调节式共源共栅(RGC)结构；RCG结构最显著特点是输入阻抗较低，隔离了APD输入电容的影响，使输入极点变为低阻高频次极点，消除输入端对系统带宽的影响。

优选的，所述单转双电路采用RC低通滤波结构，其时间常数τ应远大于前置跨阻放大器输出信号的脉宽，保证能够在电路有效检测时间内，提供足够的差分信号给后级的电压放大器。