PIN探测器和跨阻放大器的光电单片集成

设计了一种大面积、高响应度的硅基PIN探测器,PIN探测器的表面积为4.1 mm×13.8 mm,整体厚度为420 μm左右。PIN探测器的光敏面采用环形Al电极将光电流信号引出,通过在波长为860 nm的恒定激光光源下进行测试,其响应度为0.6 A/W。提出了一种全新的光电单片集成的可行性方法,即利用PIN探测器非光照区的本征I层面积,设计了一种与PIN探测器结构和工艺兼容的跨阻放大器,在保证了PIN探测器结构和性能没有发生改变的前提下,实现了PIN探测器和跨阻放大器的光电单片集成。最后在波长为860 nm、脉冲宽度为100 ns、工作频率为10 kHz的实际脉冲激光信号下对流片成功的PIN探测器和光电单片集成芯片的脉冲响应进行了对比测试。结果表明:在脉冲宽度基本没有发生变化的同时,光电单片集成芯片的脉冲电压信号相比于PIN探测器的脉冲光电流信号放大了1000倍,放大倍数和理论的跨阻阻值1000 Ω一致。该集成光电芯片应用在激光引信系统的激光接收模块中,通过光电单片集成可以提高PIN探测器上输出端信号的信噪比,增强系统的稳定性,同时也可以满足激光引信系统小型化发展的需要。     

星载高灵敏度平衡光电探测器研究

设计了一种由平衡光电二极管芯片和跨阻放大器混合集成的星载高灵敏度平衡光电探测器。平衡光电二极管芯片采用双InP-InGaAs光电二极管单元单片集成的内平衡结构,以降低芯片自身噪声,提高探测器灵敏度。通过Cadence仿真软件对集成了正负双向电流输入电路、自动增益控制电路和反相器型输入电路的闭环放大器结构进行了仿真,得到等效噪声功率、带宽和增益三者之间的关系,制作出适配平衡光电二极管芯片的跨阻放大器。搭建1.55μm激光测试系统对研制的探测器进行性能测试,结果显示,其3dB带宽为1.58GHz,等效噪声功率密度为5.96pW/Hz1/2,共模抑制比为42.04dB(@DC～1.58GHz),在相干激光通信系统中的接收灵敏度达到-61dBm。     

中心带雪崩光电二极管的InGaAs PIN四象限探测器

介绍了研制的中心带雪崩管的PIN四象限InGaAs光电探测器.这种光电探测器PD芯片具有一个平面结构的InGaAs PIN四象限光电二极管,其中心位置带有一个雪崩光电二极管,位于同一晶片上.探测器的5个PD芯片被安装在各自厚膜集成的前置放大器上,同时封装在一个带光窗的金属壳体中.中心雪崩探测器和四象限探测器的电压响应度、响应时间、等效噪声功率分别为:2.5×105 V/W(1 550 nm)和0.95×104 V/W(1 550 nm);7 ns和20 ns;0.15×10-12 W/Hz1/2和4×10-12W/Hz1/2,象限间串扰小于3%,象限内不均匀性小于5%.这种探测器可同时用于人眼安全激光测距、激光定位和跟踪.     

一种高增益、大带宽跨阻放大器的设计

作为激光近炸引信中探测与目标识别核心元件的光电探测器,其性能取决于光电二极管和相应的放大电路。针对引信、制导应用对光电探测器的要求,提出一种新型高增益、大带宽跨阻放大器设计。该跨阻放大器由两级放大电路构成,第一级由两个对称的RGC（Regulated Cascode）结构组成,消除光电二极管漏电流对直流工作点影响,隔离光电二极管寄生电容提升工作带宽;第二级放大电路由三个级联的电流复用反相放大器构成,是跨阻放大器的主要增益级;最后以射级跟随器输出,为后续系统提供足够的电压摆幅。 该电路基于SMIC 0.35μm 标准CMOS工艺设计,仿真结果表明：跨阻增益为110.2dBΩ,带宽为46.7MHz,40MHz处的等效输入噪声电流谱密度低至1.09pA/ ,带宽内等效输出噪声电压为5.37mV。测试结果表明,跨阻放大器增益约为109.3 dBΩ,输出电压信号上升时间约为7.8ns,等效输出噪声电压大小为6.03mV,功耗约为10mW,对应芯片面积为1560×810μm2。 关键字：跨阻放大器、高增益、大带宽、RGC、反相放大器     

跨阻放大器低温性能及其对THz光电信号的放大应用

随着太赫兹技术、低温电子学和射电天文学的发展,对可低温环境下工作的集成封装式跨阻放大芯片的需求增加。本文针对一种Ge-Si基底型跨阻放大器,主要研究了其深低温环境下的电学性能,获得了8 K温度下放大器芯片的典型端口电流-电压特性曲线和增益曲线,得到了在0.1～3 GHz频带内较为平坦的增益效果;为了验证其对太赫兹光电信号的放大功能,将该跨阻放大器与太赫兹量子阱探测器集成封装,并搭建了太赫兹脉冲激光探测系统,在8 K温度下实现了对脉宽2μs太赫兹光电探测信号的有效放大,跨阻增益约560Ω,电流放大增益为1.78 mA/V。上述研究成果首次验证了商用跨阻放大器在深低温环境下应用的可行性,为太赫兹高速探测与高频通信领域的集成跨阻放大提供了一种有效技术手段。     

1.54μm APD光电探测器组件的研制及应用

主要从长波长人眼安全测距方面讨论和研究了InGaAs雪崩光电二极管的前置放大器的电路原理和参数的设计以及光电探测器组件混合集成.着重从激光测距方面的应用探讨了由InGaAs雪崩光电二极管组成的激光接收器的应用电路的选择和设计.从测距使用的角度对InGaAs雪崩光电二极管的光电特性与偏置电压的关系进行了测试,从而了解该器件与硅雪崩二极管的光电性能的差异,从而为更好的应用InGaAs雪崩光电二极管提供参考和依据.研制的InGaAs雪崩光电二极管探测器组件及接收器在激光测距机中进行了测距应用,在激光能量为7毫焦耳测距集中进行测距,初步达到了要求.     

一种引力波探测用高灵敏度四象限光电探测器

针对引力波探测空间天线激光干涉仪对四象限光电探测器提出的低噪声、高灵敏度、高带宽的要求,设计了一种四象限光电探测器芯片与读出电路混合集成的低噪声光电探测器.四象限光电探测器芯片采用四个性能一致的双耗尽区InGaAs PIN光电二极管单片集成结构,以降低二极管电容,减小象限间隔,提高灵敏度.通过PSPICE软件对由探测器芯片、低噪声跨阻放大读出电路构成的探测器模块进行了仿真,优化了电路参数,计算出相应的增益、带宽、噪声功率密度.性能测试表明,研制的集成式探测器模的-3 dB带宽为28.3 MHz,等效噪声功率密度为1.7pW/Hz1/2,象限增益一致性为0.76％,基本满足空间激光干涉仪的需求.     

64×64 InGaAs/InP三维成像激光焦平面探测器

针对900~1 700 nm波长无扫描激光三维成像雷达的需求,研制了一种规模为6464的线性模式雪崩焦平面阵列（LM-APD-FPA）,它由InGaAs/InP雪崩光电二极管阵列与CMOS专用读出电路（ASIC）组成。该器件采用飞行时间（TOF）测距的方式工作,APD光敏芯片将脉冲激光信号转化成脉冲光电流,读出电路对其进行放大、阈值比较后实现激光探测并在每个单元获取光脉冲的飞行时间,将其转化成二进制编码信号后串行输出。测试结果表明,6464 LM-APD-FPA有效像元最小可探测光功率值约为400 nW,时间分辨率为1 ns。用该探测器在激光雷达系统上实现了无扫描单脉冲激光三维成像,表明了线性模式激光焦平面探测器可用于激光三维成像领域。     

1Gb/s CMOS调节型共源共栅光接收机

基于特许0.35μm EEPROM CMOS标准工艺设计了一种单片集成光接收机芯片,集成了双光电探测器(DPD)、调节型共源共栅(RGC)跨阻前置放大器(TIA)、三级限幅放大器(LA,limiting amplifier)和输出电路,其中RGCTIA能够隔离光电二极管的电容影响,并可以有效地扩展光接收机的带宽。测试结果表明,光接收机的3dB带宽为821MHz,在误码率为10-9、灵敏度为-11dBm的条件下,光接收机的数据传输速率达到了1Gb/s;在3.3V电压下工作,芯片的功耗为54mW。     

一种混合集成1×4阵列平衡光电探测器的设计

针对合成孔径激光雷达中单个光斑观测视场受限的难题，设计了一种由阵列平衡探测器芯片和阵列跨组放大器芯片混合集成的1×4阵列平衡光电探测器。阵列平衡探测器芯片采用4对背照式InPInGaAs平衡光电二极管单片集成的内平衡结构，降低芯片寄生电容，提高器件的响应频率和一致性。通过倒装集成工艺将阵列平衡探测器芯片和阵列跨组放大器芯片进行集成，缩减像元间距，扩大成像视场。搭建测试系统对进行探测器性能评测，结果显示，其有效像元率达到100%，共模抑制比为33dB,3dB带宽为102MHz，等效噪声功率密度为2.0pW/Hz^1/2，增益实现三档可调，整体输出增益一致性为99%，满足合成孔径激光雷达大幅宽成像需求。     

硅基线性模式APD焦平面研制

针对三维激光雷达的应用场景对雪崩光电二极管(APD)焦平面的性能要求,研究并制备了一种2×128硅基线性模式APD焦平面组件,它由硅基APD焦平面阵列、读出电路和制冷封装管壳组成。APD像元采用拉通型结构,通过大尺寸微透镜实现了高填充因子,通过隔离环掺杂实现了串扰抑制。通过离子注入工艺实现了击穿电压和响应电流的均匀性。设计大带宽低噪声跨阻放大电路、高精度计时电路,实现了窄脉宽、高灵敏度探测。采用气密性封装,实现了APD焦平面制冷一体化封装,制冷温差在40 K以上。测试结果表明,焦平面的探测阈值光功率可达3.24 nW,响应非均匀性为3.8%,串扰为0.14%,最小时间分辨率可达0.25 ns,实现了强度信息与时间信息同时输出的功能。     

Low-Power BiCMOS Optical Receiver With Voltage-Controlled Transimpedance

An optical receiver with voltage-controlled transimpedance using a current conveyor and a voltage amplifier monolithically integrated with a PIN photodiode in 0.6 mum BiCMOS technology is presented. The transimpedance is directly proportional to a voltage-controlled resistance, and can be continuously varied by changing its control voltage. Thanks to the mixed current-mode and voltage-mode signal processing, the bandwidth of the optical receiver is virtually independent of the photodiode capacitance. A linearity error smaller than 3.1%, a sensitivity dynamic range of 78.8 (37.9 dB) with the largest sensitivity of S = 890 mV/muW at 660 nm, an offset voltage smaller than 0.53 mV, a largest maximum power consumption of only 3.2 mW, a small-signal frequency bandwidth up to 189 MHz, a large-signal rise time/fall time down to 3.7 ns/3.3 ns, and an output noise level down to -77.8 dBm (for a frequency of 50 MHz and a resolution bandwidth of 30 kHz) are achieved     

A 250-MHz BiCMOS receiver channel with leading edge timing discriminator for a pulsed time-of-flight laser rangefinder

An integrated receiver channel of a pulsed time-of-flight (TOF) laser rangefinder for fast industrial measurement applications with the measurement accuracy of a few centimeters in the measurement range from /spl sim/1 m to /spl sim/30 m to noncooperative targets was developed. The receiver channel consists of a fully differential transimpedance amplifier channel, a peak detector, an rms meter and a timing discriminator. In this particular application there is no time to measure the received signal strength beforehand and it is not predictable from previous measurements, so a leading edge timing discriminator with a constant threshold voltage was used. The amplitude of the received pulse is measured with a peak detector and the amplitude information is used to compensate for the resulting walk error. The measured bandwidth of the receiver channel is 250 MHz, the maximum transimpedance 40k/spl Omega/ and the input-referred noise /spl sim/7pA//spl radic/Hz (C/sub photodiode/=2 pF). The timing detection accuracy of the receiver is better than /spl plusmn/35 mm in a single-shot measurement in a dynamic range of 1:4000 and a temperature range of 0/spl deg/C to +50/spl deg/C.     

脉冲激光引信光电转换系统的设计

为了应对脉冲激光引信回波信号弱、脉宽窄的特性,获得目标尽量多的不失真信息,对光电探测器的特性和放大电路的带宽进行了分析,设计了一套实用的光电转换系统,包括PIN探测电路、前置放大电路和主放大电路。经过TINA和MULTISIM软件模拟仿真和实验验证,设计的光电转换系统的带宽为61.089MHz,增益为72.14dB。结果表明,该系统对于脉宽为十几纳秒的回波脉冲信号进行了很好的低噪声、不失真放大,满足了设计要求,回波信号经光电转换系统后输出的信号与应用需要相匹配,为激光引信的后续信号处理提供了稳定可靠的信号。     

高灵敏紫外激光脉冲能量在线检测系统设计

介绍了一种基于PIN光电二极管的紫外激光脉冲能量在线检测系统。首先,采用激光主光路外的检测光实现激光脉冲能量的无损在线响应;其次,采用高速高精度积分电路将响应光电流处理为电压峰值;最后,利用激光系统的同步触发信号进行检测时序设计从而获得精确的激光脉冲前后的检测系统输出差值,经过计算后获得精确的激光脉冲能量。检测系统在248 nmKrF和308 nmXeCl准分子激光器上进行了测试,实现了对0~200 Hz重复率运行的准分子激光能量在线无损检测,测量结果与输出端外置能量计测得结果相对比,相关性与可重复性一致,满足应用需求。     

应用于10Gb/s光接收机的全差分CMOS跨阻前置电路设计

设计了一种的低成本、低功耗的10 Gb/s光接收机全差跨阻前置放大电路。该电路由跨阻放大器、限幅放大器和输出缓冲电路组成,其可将微弱的光电流信号转换为摆幅为400 mVpp的差分电压信号。该全差分前置放大电路采用0.18 m CMOS工艺进行设计,当光电二极管电容为250 fF时,该光接收机前置放大电路的跨阻增益为92 dB,-3 dB带宽为7.9 GHz,平均等效输入噪声电流谱密度约为23 pA/(0~8 GHz)。该电路采用电源电压为1.8 V时,跨阻放大器功耗为28 mW,限幅放大器功耗为80 mW,输出缓冲器功耗为40 mW,其芯片面积为800 m1 700 m。     

高重频激光地面足印探测器峰检电路的设计

设计了一款两级峰值检测电路,实现对上升沿为3 ns、脉宽为5 ns、下降沿为3 ns、重频为10 kHz的脉冲信号的峰值检测与保持,利用STM32单片机的模数转换器完成电压信号采集。给出以APD为光电探测器件的地面探测器系统的基本结构框图,利用探测器系统中的放大电路模块使接收激光脉冲宽度从1 ns展宽至5 ns,搭配峰值检测电路模块实现窄脉宽、高重频激光信号的检测与数据记录。利用信号源完成峰值检测电路部分的功能测试,使用重频为1 kHz、脉宽约为1 ns的激光器完成探测器系统整体的功能测试,实验证明此系统可以较好地检测并记录该激光信号的峰值。     

A 122 TΩ Hz transimpedance bandwidth product BiCMOS optical sensor front-end with a 54.7 dB voltage-controlled photo-sensitivity range

An optical sensor front-end with integrated PIN photodiode in 0.6 μm BiCMOS technology intended for universal optical storage operation is presented. It is based on a mixed current conveyor and voltage amplifiers topology avoiding stability problems. The transimpedance is continuously variable and directly proportional to a voltage-controlled resistance. Another voltage-controlled resistor within a variable-gain voltage amplifier increases the photo-sensitivity range. A fixed-gain voltage amplifier and a current biasing of the current conveyor enable frequency bandwidth enhancement leading to a large transimpedance bandwidth product. A linearity error smaller than 2.8%, a photo-sensitivity range of 541 (54.7 dB) with the largest photo-sensitivity of 2468 mV/μW, an offset voltage <13.7 mV, a frequency bandwidth up to 277 MHz, a slew rate up to 377 V/μs, a transimpedance bandwidth product up to 122 TΩ Hz, and a maximum power consumption of <4.3 mW are achieved.     

用于APD激光探测的电荷灵敏前置放大器设计

雪崩光电二极管（APD）作为探测元件实现光电转换广泛应用于激光脉冲探测技术中。前置放大器是影响APD激光脉冲探测系统好坏的关键因素,前置放大器的信噪比决定了整个探测系统的信噪比优劣。提出了电荷灵敏前置放大器应用于APD激光脉冲探测系统以提高探测距离和探测精度的方法。讨论了激光脉冲探测技术和APD特性,在此基础上设计了以结型场效应管和集成运放为主要器件的低噪声电荷灵敏前置放大器电路并对设计电路进行了实验分析。实验结果表明：将电荷灵敏前置放大器应用于APD激光脉冲探测系统可以有效提高系统的信噪比,改善激光探测性能。     

Monolithic PIN/preamplifier circuit integrated on a GaAs substrate

An AlGaAs/GaAs PIN photodiode and a GaAs transimpedance amplifier including six FETs have been monolithically integrated on a GaAs substrate. A photoreceiver operation exhibiting an excellent linearity has been demonstrated. The photodiode sensitivity of 0.44 A/W and the amplifier transimpedance of 1.0 × l04 V/A have been determined from the measurement.