[发明专利]一种适用于APD阵列的带有高压保护的电荷灵敏放大器

说明书

一种工作于需要耐高压电路的电荷灵敏放大器，可以应用于APD探测电路的输入端保护。包括探测器接口、高压保护电路、运算放大器、跨接电容、信号处理电路。探测器接口与旁路高压保护相连接，旁路高压保护与可调增益的耐高压灵敏放大器输入相连接，可调增益的耐高压灵敏放大器输出与信号处理电路输入相连接，信号处理电路会输出复位信号与高压保护电路输入相连接，同时信号处理电路也会输出检测的结果。本发明APD保护电路设计合理，可以调整增益幅度，可进行自动复位，系统稳定。

技术领域

本发明设计光电成像技术，是一种工作于线性模式的APD阵列的成像读出电路，属于微电子及光电子领域。

背景技术

在军用、民用的光电成像领域，雪崩光电二极管(APD)可以用来探测单个光子信号的新型高灵敏探测传感器件。其工作原理是利用内部强电场作用，产生雪崩倍增效应。因为APD灵敏度高、响应速度块，并且可以阵列化，因此常用于微弱信号检测、光线通讯等军事监控和民用通讯等领域的探测器和接收。

焦平面阵列一般由探测器阵列和读出电路(ROIC)组成，其中探测器的作用是将微弱的光信号转化为微弱的电流信号。工作于线性模式的电路所产生的信号电流与光信号成正比。读出电路的作用是，将微弱的电信号转化为处理机可处理的电信号或数字信号。在电路工作过程中，因为探测器阵列中的像素可能因击穿而失效短路，N on P型雪崩二极管在击穿后，电路会产生负几十伏的电压，导致在硅片上产生一个较大的泄漏电流，容易将芯片烧毁。

本实例的高压保护电路即为解决N型雪崩二极管失效后，对于芯片内部其余电路进行保护，使得芯片其余部分仍然可正常工作，以达到提高产品耐用度、成品率。因此设计一个可靠的高压保护电路，是目前雪崩光电二极管读出电路的常见做法。

发明内容：

本发明提供了一种用于APD需要耐高压电路的电荷灵敏放大器，本发明原理时利用探测器产生的光电流信号的脉冲判断光源，将该时刻的信息存储，从而产生目标距离的3D坐标信息。通过电路产生的脉冲间隔确定探测器与物体之间的距离。

本实例适用于N on P APD，该APD工作于负电压区。对于常规结构，如果MOS管的栅或源漏直接与探测电路连接，当探测器发生意外击穿时，MOS管的栅会被击穿，源漏则会导致PN结正偏，产生漏电流，使得电路失效。本专利的特殊设计可以保证在探测器失效时，余下读出电路仍能继续工作不受影响。

本专利设计中，探测器件输出与一个漏端耐高压的PMOS、两个耐高压的电容相连接。耐高压管在工作时充当复位管，使得APD探测器在工作时保持一个固定电平，两个耐高压电容C0、C1，其中一个电容C0与电流灵敏放大器的负输入端相连，另一个C1与电流灵敏放大器的输出端相连接。这样的连接模式使得与耐高压结点连接的有源器件仅有一个高压管。当探测器击穿时，与探测器相连的节点电压会被拉低到负几十伏，但由于与高压管连接，另一端是耐高压的电容。本专利提出的结构在可以使APD正常工作的同时，起到保护电路的效果。

本发明采用的技术方案如下：

一种工作于线性模式APD的主动成像保护电路，其特征在于设有探测器、高压保护电路、电流灵敏放大器 (CSA)、溢出检测电路、增益控制电路、高通滤波器、及复位控制部分。探测器输出与高压保护电路输入相连接，高压保护电路的输出与电流灵敏放大器输入连接；电流灵敏放大器输出与溢出检测电路输入、高通滤波器输入连接；高通滤波器输出、溢出检测电路输出与复位控制连接；复位控制输出与高压保护电路输入连接。

本发明优点及显著效果：

(1)本保护电路可以实现对N on P型APD的保护，需要高压保护管数量少，适用大规模阵列。

(2)本发明可以同时进行APD探测器输出端的电压复位操作，利用现有结构实现溢出复位、检测复位的操作。

(3)本结构利用的高压管数量较少，仅为1个，有助于芯片内部利用率的提升和成本的降低。