《電子技術(shù)應用》
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2×8低噪聲InGaAs/InP APD讀出電路設計
摘要: 在紅外通信的1 310~1 550 nm波段,高靈敏度探測材料主要有Ge—APD和InGaAs/InP APD,兩者相比較,InGaAs/InP APD具有更高的量子效率和更低的暗電流噪聲。In0.53Ga0.47As/InP APD采用在n+-InP襯底上依次匹配外延InP緩沖層、InGaAs吸收層、InGaAsP能隙漸變層、InP電荷層與InP頂層的結(jié)構(gòu)。
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Key words :

  0 引言

  在紅外通信的1 310~1 550 nm波段,高靈敏度探測材料主要有Ge—APD和InGaAs/InP APD,兩者相比較,InGaAs/InP APD具有更高的量子效率和更低的暗電流噪聲。In0.53Ga0.47As/InP APD采用在n+-InP襯底上依次匹配外延InP緩沖層、InGaAs吸收層、InGaAsP能隙漸變層、InP電荷層與InP頂層的結(jié)構(gòu)。

  APD探測器的最大缺點是暗電流相對于信號增益較大,所以設計APD讀出電路的關(guān)鍵是放大輸出弱電流信號,限制噪聲信號,提高信噪比。選擇CTIA作為讀出單元,CTIA是采用運算放大器作為積分器的運放積分模式,比較其他的讀出電路,優(yōu)點是噪聲低、線性好、動態(tài)范圍大。

  1 工作時序和讀出電路結(jié)構(gòu)

  作為大陣列面陣的基礎(chǔ),首先研制了一個2×8讀出電路,圖1給出了該電路的工作時序,其中Rl、R2為行選通信號;Vr為復位信號;SHl、SH2是雙采樣信號;C1、C2、…、C8為列讀出信號。電路采用行共用的工作方式,R1選通(高電平)時,第一行進行積分,SH1為高電平時,電路進行積分前采樣,SH2為高電平時,進行積分結(jié)束前的采樣,C1、C2、…、C8依次為高電平,將行上的每個像元上信號輸出;然后R2為高電平,重復上面的步驟,進行第二行的積分和讀出。

該電路的工作時序

  圖2是2×8讀出電路的結(jié)構(gòu)框圖,芯片主要由行列移位寄存器、CTIA和CDS單元組成,圖中用虛線框表示:移位寄存器單元完成行列的選通,CTIA功能塊將探測器電流信號按行進行積分,CDS功能塊能抑制電路的噪聲,如KTC(復位噪聲)、FPN(固定圖形噪聲)等;FPGA主要產(chǎn)生復位信號(Vr)和采樣信號(SH1、SH2),觸發(fā)電路的復位和采樣動作,C8為該組信號的觸發(fā)信號,解決和芯片內(nèi)行列選通信號同步問題。

2

  為了便于和讀出電路的連接仿真,首先根據(jù)器件特性建立了器件的電路模型,如圖3(a)中的虛線框所示,其中Idet、Rdet、Cdet分別表示器件的光電流、阻抗、寄生電容。圖3(a)還給出了CTIA讀出單元電路結(jié)構(gòu),主要由一個復位開關(guān)KR和積分電容Cint以及低噪聲運放A構(gòu)成。在CTIA結(jié)構(gòu)中,設計一個高增益、低噪聲、輸入失調(diào)小、壓擺率大的運放是確保讀出電路信噪比高、動態(tài)范圍大的關(guān)鍵。除此之外,積分電容Cint的設計也非常重要,在設計過程中發(fā)現(xiàn),選擇合適的積分電容也是關(guān)鍵之一。圖3(b)是CDS單元,由采樣管Ml、M2、采樣保持電容C1、C2及M3~M6構(gòu)成的差分器組成,Vin為CDS輸入電位,也即CTIA的輸出電位。Voou1和Vout2為兩次采樣輸出,經(jīng)過減法器后可以進行噪聲抑制。

CTIA讀出單元和CDS單元

  2 積分電容Cint

  積分電容的設計主要和探測器信號電流的大小有關(guān)。圖4是In0.53Ga0.47As/InP APD特性,仿真結(jié)果顯示器件的工作電流一般在300 nA左右。

In0.53Ga0.47As/InP APD特性

  圖5為器件電流取300 nA時積分電容分別為2、4、6和15 pF時的輸出電壓Vout的仿真結(jié)果。仿真參數(shù)設計:在器件厚度為20 μm的情況下,根據(jù)器件仿真結(jié)果進行計算,器件阻抗為2×109Ω,器件寄生電容為80 pF。參考電壓Vb取2.0V,積分時間為60μs??梢钥吹綄煌姆e分電容,積分電壓到達飽和的時間是不一樣的,也就是選擇不同的積分電容,最佳積分時間是不一樣的。如選用4 pF的積分電容,積分時間最好控制在40μs以下。

器件電流取300 nA時積分電容分別為2、4、6和15 pF時的輸出電壓Vout的仿真結(jié)果

  積分電容還決定電荷容量。電荷容量為

公式

  式中:Qm為電荷容量;Vref為參考電壓,一般為1.5~3 V。式(1)表示增大積分電容Cint可以提高電荷容量。

  在CTIA電路結(jié)構(gòu)中,KTC噪聲是最主要噪聲,而KTC噪聲也和積分電容有關(guān)。KTC復位噪聲電壓可以表示為

公式

  式中:VN為積分電容上復位引起的KTC噪聲電壓;K為波爾茲曼常數(shù),其值為1.38×10-23J/K;T是絕對溫度,取77 K。將此噪聲電壓折合成輸入端噪聲電子數(shù),則表示為

公式

  式中:Nin為積分電容KTC復位噪聲折合到輸入端的噪聲電子數(shù);q為電荷常數(shù),其值為1.60×10-19C;G為輸出級增益。

  圖6表示了該噪聲電子數(shù)和溫度、積分電容Cint之間的關(guān)系。從圖6可以看到,Nin隨溫度降低而減少,同時隨Cint的增大而增多。所以在設計Cint時,必須兼顧探測器電流、積分時間、電荷容量Qm和KTC噪聲折合到輸入端電子數(shù)Nin,并且結(jié)合電路工作溫度設計一個合適的值。在讀出電路中,電容的工作溫度為77 K,Cint設計為4 pF時,參考電壓取2 V,電荷容量為8×10-12J。電路的輸出級增益為O.65,KTC復位噪聲折合到輸入端的噪聲電子數(shù)為768個,小于實際探測器的噪聲電子數(shù),而電荷容量也足夠大,滿足探測器讀出的需要。在CTIA結(jié)構(gòu)中,設計一個高增益低噪聲的運算放大器。根據(jù)具體的應用合適設計。而開關(guān)管KR采用四管合抱管結(jié)構(gòu),減小導通電阻對電路的影響。圖7為讀出電路芯片的照片。

 

該噪聲電子數(shù)和溫度

讀出電路芯片的照片

  3 結(jié)論

  電路采用O.6μm CMOS工藝流片,采用40腳的管殼進行封裝,其中有效引腳為32個。用電注入法(恒流源模擬器件)測試了芯片的性能,電流信號為100~600 nA。功率耗散小于200μW。當積分電容為4 pF的時候,積分時間為36μs。時鐘頻率為0.5MHz的時候,一幀像元積分和讀出的總時間為108μs。電路的電荷存儲能力為5×107個,動態(tài)范圍為l V左右,輸出噪聲為5.2×10-5Vrms。測試結(jié)果顯示電路符合預期的設計要求。

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