專利名稱：：一種差分輸入的低溫紅外探測器微弱電流放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及前置放大器技術(shù)，具體指一種差分輸入的低溫紅外探測器微弱電流放大器，它用于工作在液氮溫度77K的紅外探測器。
背景技術(shù)：
：紅外探測器和低噪聲微弱電流前置放大器是氣象衛(wèi)星遙感的核心部件。為降低探測器的讀出噪聲，理想的方式是電流前置放大器與紅外探測器一起進行低溫集成封裝。然而，由于市售的商用放大器都不具備低溫工作能力，目前在遙感系統(tǒng)設(shè)計中仍然采用紅外探測器和電流前置放大器遠(yuǎn)距離分開連接的工作方式，即HgCdTe紅外探測器在深低溫下工作，而電流前置放大器在常溫下工作。這種設(shè)計使得探測器輸出的極微弱信號在傳輸至前置放大器的過程中產(chǎn)生干擾，引入很大的附加噪聲，限制了系統(tǒng)靈敏度的提高。因此差分輸入77K工作溫度的低噪聲微弱電流放大電路的研制對于高性能紅外探測器集成組件、深低溫紅外焦平面及高靈敏紅外遙感系統(tǒng)的研制都具有極其重要的意義。2005年3月2日授權(quán)的曹必松等的中國專利CN1588794，公布了一種射頻頻段低溫地噪聲放大器，該放大器是屬于射頻
技術(shù)領(lǐng)域：
的放大器，主要應(yīng)用于CDMA頻段，且采用的是雙極型工藝，沒有采用現(xiàn)在的常規(guī)CMOS工藝，沒有將10MQ左右的反饋電阻集成在放大器內(nèi)部，無法直接放大紅外探測器的信號。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種能直接放大紅外探測器信號的低溫工作的低噪聲微弱電流放大器，解決常溫電流前置放大器所引發(fā)的干擾大、附加噪聲大和系統(tǒng)靈敏度受限的技術(shù)問題。該低溫放大器的結(jié)構(gòu)如圖l所示，采用差分輸入的一級折疊共源共柵結(jié)構(gòu)。其中M1和M2是輸入對管，M1、M2、M3、M4構(gòu)成差分輸入的共源共柵結(jié)構(gòu)，M5、M6為差分輸出的有源負(fù)載，M7、M8給共源共柵提供電流源，RF做反饋電阻，CF為反饋電容，M9M16為偏置電路。主要管子的尺寸如下表所示(單位為微米)。<table>tableseeoriginaldocumentpage4</column></row><table>其特征在于該放大器采用高阻多晶硅做反饋電阻，能使低溫41MQ的反饋電阻集成在芯片里面，能直接把紅外探測器的電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，克服了在外面加反饋電阻引入外來噪聲源的缺點；低溫電路的輸入管采用1500um/1.5um的大管子，大大降低了放大器的等效輸入噪聲；低溫電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用差分輸入的一級折疊共源共柵結(jié)構(gòu)，沒有使用補嘗電容，克服了普通的兩級放大器在低溫下補償電容變化而容易導(dǎo)致振蕩的缺點；低溫放大器的偏置電路采用三級鏡像的方式，沒有使用多晶硅電阻控制電流，克服了電阻隨溫度變化導(dǎo)致電路靜態(tài)工作點變化的缺點。本發(fā)明的優(yōu)點如下1.該低溫電路的輸出阻抗很高，一級放大就能達(dá)到60dB以上的放大倍數(shù)，該電路的電源電壓抑制比較高，減小了電源紋波引入系統(tǒng)的噪聲。2.該微弱電流放大器在低溫77K下的等效輸入電流噪聲為0.025PA/HZ1/2@lKHz。3.該放大器在常溫300K和低溫77K都能正常工作，不僅可用于紅外探測器的信號放大，也可用于可見光探測器的信號放大。4.該放大器采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝制造而成，保證了芯片制造的可重復(fù)性。5.該低溫電路沒有使用補償電容，克服了普通的兩級放大器在低溫下補嘗電容變化而容易振蕩的缺點。圖l差分輸入液氮低溫微弱電流放大器結(jié)構(gòu)示意圖。圖2差分輸入低溫微弱電流放大器輸入管的版圖。圖3差分輸入低溫微弱電流放大器版圖。圖4差分輸入低溫微弱電流放大器在常溫下的噪聲特性曲線圖。圖5放大器在低溫77K下的頻響特性曲線圖。下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式作進一步的詳細(xì)說明此電路總的噪聲主要由輸入管Ml、M2管決定，其等效輸入噪聲電壓計算第一項為溝道熱噪聲，第二項為1/f噪聲。g-為輸入管的跨導(dǎo)，為減小總噪聲，輸入管W/L的大小及偏置電流的設(shè)計非常重要。從以上公式可知增大gm可以減小溝道熱噪聲，在面積許可的條件下，增大輸入管的W/L，采用1500um/1.5um來增大g^，在畫版圖時用72個41.7ixm/1.5um的管子組成輸入對管Ml、M2，且在輸入對管的外面使用了保護環(huán)，如圖2所示，有利于減少輸入對管的失調(diào)及外界串?dāng)_進來噪聲。另外還可以通過調(diào)節(jié)偏置電流來增大輸入管的電流Ids來增大gm，在調(diào)節(jié)偏置時，我們把L調(diào)到80uA左右，這樣可以很大程度上減少溝道熱噪聲。但L不能調(diào)得太大，否則會由于電流過大而導(dǎo)致靜態(tài)功耗增大，所以電路表現(xiàn)出噪聲和功具體實施方法公式為:耗的折衷關(guān)系。PM0S比麗0S的1/f噪聲小，所以輸入管Ml、M2選PM0S減小了1/f噪聲。另外增大WXL也可以減小1/f噪聲，在功耗和面積許可的條件下，其他管子也盡可能考慮低噪聲標(biāo)準(zhǔn)來設(shè)計。當(dāng)溫度降低時電流加大以及域值電壓Vt増加可能會使器件無法工作，所以在設(shè)計每個管子的W/L時要充分考慮。我們用HSPICE軟件進行仿真，使用的是貝嶺公司的1.2微米BSIM3器件模型，從仿真結(jié)果看，本電路的輸出噪聲電壓很低(如圖4)。若取帶寬為10KHz，0—10KHz的總輸出噪聲電壓大約為50uV。因為反饋電阻大小為17MQ,所以可以計算出等效輸入總電流大小為3PA，點頻輸入電流噪聲為0.03W/V^。對差分輸入微弱電流放大器的噪聲我們是采用EG&G124A鎖相放大器測試的，測試點頻噪聲時MODE選BANDPASS,Q值選IOO。若測試點的頻率為f，測得的噪聲電壓為V，則該頻點的噪聲電壓密度)^=7F。在常溫下測得點噪聲為0.03PA/HZ"^lKHz，這個結(jié)果與仿真結(jié)果比較吻合。在液氮溫度77K下測得點噪聲為0.025PA/HZ1/2@lKHz。符合溫度下降時點噪聲降低的理論。從上面的噪聲測試結(jié)果可以看出，前面采用的減少噪聲的方法得當(dāng)，效果很明顯。因一般的代工廠提供的仿真模型其最低溫度只能達(dá)到200K左右，無法進行低溫77K仿真，在低溫下閾值電壓及其他一些相關(guān)參數(shù)都要發(fā)生變化，我們針對貝嶺1.2um工藝，把常溫模型閾值電壓增加0.35伏，模擬77K溫度的電路基本性能，測試結(jié)果顯示，放大器的主要性能測試結(jié)果和仿真結(jié)果基本吻合，如低溫的靜態(tài)功耗、輸入輸出的靜態(tài)工作點、輸出電壓擺幅等。這些結(jié)果對我們今后進行低溫電路的設(shè)計提供了最簡單的行之有效的方法。我們采用的是差分輸入的折疊式共源共柵結(jié)果，使一級放大的開環(huán)增益就超過了60dB，避免了使用常規(guī)的兩級放大低溫下容易引起振蕩的缺點。幾乎所有的低溫紅外探測器都是在零偏下工作，差分輸入單端輸出的放大器結(jié)構(gòu)很好的解決了這個問題。參考電流源級由M9M16構(gòu)成，M15、M16為基準(zhǔn)電流，由M16鏡像到M14產(chǎn)生一路電流，再由M10鏡像到M9產(chǎn)生另外一路電流，該電流源沒有使用對溫度特別敏感的電阻，所以該電流源在常溫和低溫下都能正常工作，測試結(jié)果顯示該電流源溫度抑制能力很強，常溫和低溫的電流變化不大，在可以接受的范圍。所以整個微弱電流放大器工作溫度范圍很寬，從常溫300K到低溫77K都能正常工作。為減少封裝管殼的引腳數(shù)，降低串音干擾，反饋電阻集成在芯片里面，反饋電阻采用高阻多晶硅做電阻，四元集成放大器芯片的面積為在3mmX1.9mm(如圖3所示)，有效的減小了芯片總面積。低溫微弱電流放大器的3dB帶寬由反饋電阻RF和反饋電容CF共同決定，與反饋電阻RF和反饋電容CF的乘積成反比，即/=1=^^^，反饋電阻RF、CF太大的話會導(dǎo)致3dB帶寬變小，本低溫微弱電流放大器設(shè)計的反饋電阻在低溫77K下為41MQ，反饋電容大小為1PF，通過低溫77K帶寬測試，結(jié)果如圖5所示，低溫的3dB帶寬為5KHz左右，滿足紅外探測器在低溫77K工作的正常要求。放大器在設(shè)計時，輸入端與輸出端增加了1PF的反饋電容CF(如圖1所示)，目的是消除放大器lOOKHz以上的高頻振蕩，測試結(jié)果顯示，該方法達(dá)到了很好的效果，放大器無高頻振蕩。在畫放大器版圖時，所有的對管都采用叉指晶體管，盡量保證上下和左右對稱，這樣可以減小前放的輸入端失調(diào)，測試結(jié)果表明放大器的輸入失調(diào)電壓很小，常溫為-1.9mV，液氮77K溫度為-2.lmV。由于該放大器采用了折疊共源共柵結(jié)構(gòu)。工作電壓范圍較大，在士3伏和士1.2伏之間都能正常工作。工作電壓的不同導(dǎo)致了單元功耗的不同，在液氮溫度77K下的測試結(jié)果如下<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>理論上功耗越小噪聲越大，這些指標(biāo)用戶可以根據(jù)具體情況選擇合適的供電電壓。權(quán)利要求1.一種差分輸入的低溫紅外探測器微弱電流放大器，它采用差分輸入的折疊共源共柵結(jié)構(gòu)，其特征在于A.反饋電阻RF采用41MΩ的高阻多晶硅電阻；B.輸入管M1、M2采用1500um/1.5um的大管子；C.折疊共源共柵結(jié)構(gòu)中不采用補償電容；D.偏置電路采用三級鏡像的方式。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種差分輸入的低溫紅外探測器微弱電流放大器，其特征在于所說的低溫放大器在77K及以上溫度工作。全文摘要本發(fā)明公開了一種差分輸入的低溫紅外探測器微弱電流放大器，該放大器采用差分輸入的折疊共源共柵結(jié)構(gòu)，41MΩ的反饋電阻集成在芯片里面，四路集成放大器芯片僅為3mm×1.9mm；該放大器能直接把紅外探測器的電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，常溫300K和低溫77K都能正常工作；該放大器不僅可用于紅外探測器信號的放大，也可用于可見光探測器信號的放大；該放大器在低溫77K下的3dB帶寬為5KHz，等效輸入電流噪聲為0.025PA/HZ^1/2@1KHz，最小單元功耗可低至0.32mW。文檔編號H03F1/26GK101285706SQ20081003831公開日2008年10月15日申請日期2008年5月30日優(yōu)先權(quán)日2008年5月30日發(fā)明者強劉,星徐,欣王,袁紅輝,陳世軍,陳永平申請人:中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所