一種具有溫度補償功能的光電檢測電路的制作方法
【專利摘要】本發明公開了具有溫度補償功能的光電檢測電路，包括將光信號轉換為電信號的光電二極管，用于將光電流轉換為電壓信號的電阻，用于檢測電壓信號的比較電路；所述光電二極管第一端接地或接電源電壓，光電二極管第二端接電阻的第一端，光電二極管與電阻的公共節點連接比較電路的第一信號輸入端，電阻的第二端連接比較電路的第二信號輸入端。本發明只包括光電二極管、電阻和比較電路，與傳統的光電檢測電路相比，無需運算放大器、參考電壓或者參考電流源，降低了電路的復雜度，有效減小電路面積和成本。本發明可應用芯片安全防護領域，也可用于光纖通信領域。
【專利說明】
一種具有溫度補償功能的光電檢測電路
技術領域
[0001] 本發明涉及集成電路領域，具體為一種具有溫度補償功能的光電檢測電路。
【背景技術】
[0002] 光電檢測技術是一種將光信號轉化為電信號并對電信號進行后續處理的技術。傳 統的光檢測電路是采用光電二極管將光信號轉換為電流信號，然后使用后續電路對該電流 信號進行處理，例如通過放大器放大電流信號，對放大后的信號進行檢測或測量。
[0003] 圖1為傳統的光電檢測電路的電路圖，該電路包括電阻110、光電二極管120、放大 器130、參考電壓模塊140和比較器150;電阻110和放大器130將光電二極管120所產生的光 電流轉換成電壓信號V A，其電壓值為光電流值與電阻阻值的乘積，參考電壓模塊14 0輸出參 考電壓信號VREF，通過比較器實現VREF與VA信號的比較，輸出檢測結果。電路中需要使用放 大器電路，同時要求參考電壓模塊輸出參考電壓。
[0004] 傳統的光電檢測電路中的光電二極管有采用外部分離元件實現的，這種方法使得 光電檢測電路容易受到外界干擾。如果在MEMS工藝下設計光電二極管，實現光電檢測電路 的集成，這種方法使得整體成本很高。參考專利CN 103162821B中提到在標準CMOS工藝下采 用雙極型晶體管(三極管)替代光電二極管實現光電轉換功能。
[0005] 傳統的光電檢測電路通常采用將光電流與參考電流進行比較，或者將光電流轉換 成電壓再與參考電壓進行比較的方式實現。其中參考專利CN 103616073B通過0SC模塊所產 生的時鐘信號控制光敏管支路，光敏管產生的光電流驅動電阻產生電壓信號，在于參考電 壓信號進行比較。當無光照時電路輸出低電平，當有光照時電路輸出時鐘信號。參考專利CN 103162821B通過光電三級管產生的光電流與參考電流比較輸出檢測結果，電路中還提到了 通過兩個光電三極管消除暗電流的方法。
[0006] 然而，光電二極管本身的光電轉換效率與溫度呈正比例關系，同時光電二極管的 暗電流(無光照時)與溫度也呈正比例關系，所以傳統的光電檢測電路不同溫度條件下檢測 效果會有一定差異。對于用于芯片安全防護的光電開蓋檢測電路，在安全電路極限工作溫 度條件下，傳統的光電開蓋檢測電路很可能會失效，芯片此時遭受攻擊，光電開蓋檢測電路 無法輸出告警信號，導致芯片內部數據被竊取，將會造成嚴重后果。
【發明內容】
[0007] 本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種該電路結構簡單，穩定可靠，電 路采用補償技術，可以補償光電二極管的溫度特性，提高光電檢測電路的溫度性能。
[0008] 本發明的目的是通過以下技術方案來實現的：一種具有溫度補償功能的光電檢測 電路，包括將光信號轉換為電信號的光電二極管，用于將光電流轉換為電壓信號的電阻，用 于檢測電壓信號的比較電路;所述光電二極管第一端接地或接電源電壓，光電二極管第二 端接電阻的第一端，光電二極管與電阻的公共節點連接比較電路的第一信號輸入端，電阻 的第二端連接比較電路的第二信號輸入端。
[0009] 作為優選方式，所述的光電二極管通過標準CMOS工藝實現，對于P襯底工藝，通過P 型襯底與N阱形成光電二極管或者通過P襯底與N+注入形成光電二極管;對于N襯底工藝，通 過N型襯底與P阱形成光電二極管或者通過N襯底與P+注入形成光電二極管。
[0010] 作為優選方式，所述的比較電路具有閾值電壓，當兩輸入端壓差大于閾值電壓時， 比較電路輸出低電平，當兩輸入端壓差小于閾值電壓時，比較電路輸出高電平。
[0011] 作為優選方式，所述的比較電路的閾值電壓與溫度正相關，實現對光電二極管溫 度特性的補償。
[0012] 作為優選方式，所述的比較電路設置有輸入對管，輸入對管為M0S管，M0S管的寬長 比比值為N，且N為整數。
[0013 ]作為優選方式，所述的光電二極管的陰極接比較電路的正向輸入端，比較電路的 負向輸入端接電源電壓;所述的比較電路設置有第一 M0S管、第二M0S管、第三M0S管、第四 M0S管、第五M0S管、第一電流源和第二電流源，光電二極管的陽極接地，陰極連接電阻，第一 M0S管、第二M0S管和第三M0S管為PM0S管，第四M0S管和第五M0S管均為NM0S管，第四M0S管和 第五M0S管的寬長比比值為1:N，第一 M0S管的柵極與第二M0S管的柵極連接，第二M0S管的漏 極分別連接第三M0S管的柵極和第五M0S管的漏極，第一 M0S管的源極、第二M0S管的源極以 及第三M0S管的源極均接電源電壓，第三M0S管連接第一電流源第一端，第三M0S管與第一電 流源的公共節點連接比較電路的輸出端;第四M0S管的柵極連接電阻與電源電壓的公共節 點，第四M0S管的源極與第五M0S管的源極相連，第四M0S管與第五M0S管的公共節點連接第 二電流源第一端，第一電流源第二端、第二電流源第二端均接地;第五M0S管的柵極連接電 阻與光電二極管的公共節點。
[0014] 作為優選方式，所述的比較電路設置有第一M0S管、第二M0S管、第三M0S管、第四 M0S管、第五M0S管、第一電流源和第二電流源，光電二極管的陰極接電源電壓，陽極連接電 阻；電源電壓分別連接第一電流源第一端和第二電流源第一端，第一電流源第一端分別連 接第四M0S管的源極和第五M0S管的源極，第五M0S管的柵極連接電阻和光電二極管的公共 節點，第四M0S管的柵極與電阻的公共節點連接VCM電壓信號，VCM電壓信號可以調節比較電 路的輸入共模電平，也可以用來調節光電二極管反向電壓，可以有效屏蔽電源抖動對電路 的干擾;第四M0S管的漏極連接第一M0S管的漏極，第一M0S管的柵極連接第一M0S管的漏極， 第一 M0S管的柵極連接第二M0S管的柵極，第二M0S管的漏極分別連接第五M0S關的漏極和第 三M0S管的柵極，第一 M0S管源極、第二M0S管源極和第三M0S管源極均接地，第三M0S管的漏 極連接第二電流源第二端，第三M0S管與第二電流源的公共節點連接比較電路的輸出端。
[0015] -種具有溫度補償功能的光電檢測電路的光電檢測方法，所述的光電感應器件依 據光照情況產生光電流，光電流驅動電阻產生光電壓Vlight，利用M0S器件導電特性產生與 溫度正相關的參考電壓VREF，最后通過光電壓Vlight與參考電壓VREF比較輸出檢測結果； 或者電路使用電流比較的方式實現，光電感應器件依據光照情況產生光電流Ilight，利用 M0S器件或晶體管的導電特性產生與溫度正相關的參考電流IREF，最后通過光電流Ilight 與參考電流IREF比較輸出檢測結果。
[0016] 本發明的有益效果是:該具有溫度補償功能的光電檢測電路只包括光電二極管、 電阻和比較電路，與傳統的光電檢測電路相比，無需運算放大器、參考電壓或者參考電流 源，降低了電路的復雜度，有效減小電路面積和成本。該光電檢測電路具有溫度補償功能， 有效保證了在不同溫度條件下電路的性能，尤其適用于芯片安全防護，當整體芯片在極端 溫度條件下工作時，光電檢測電路能正確判斷芯片是否被開蓋探測。本發明結構簡單，穩定 可靠，電路采用補償技術，可以補償光電二極管的溫度特性，提高光電檢測電路的溫度性 能。可應用芯片安全防護領域，也可用于光纖通信領域。
【附圖說明】
[0017]圖1是光電檢測電路現有技術的不意圖；
[0018] 圖2是本發明一種具有溫度補償功能的光電檢測電路的示意圖；
[0019] 圖3是本發明實施例一提供的光電檢測電路的原理圖；
[0020] 圖4是本發明實施例二提供的光電檢測電路的電路圖；
[0021 ]圖5是本發明實施例的光電檢測方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0022]下面結合附圖進一步詳細描述本發明的技術方案，但本發明的保護范圍不局限于 以下所述。
[0023] 實施例一
[0024] 如圖2、圖3所示，一種具有溫度補償功能的光電檢測電路，該光電檢測電路包括用 于將光信號轉換為電信號的光電二極管210,用于將光電流轉換為電壓信號的電阻220,用 于檢測電壓信號的比較電路230。
[0025] 光電二極管210-端接地，另一端接電阻220和比較電路230的輸入。
[0026]電阻220-端連接電源電壓，另一端連接光電二極管210的陰極和比較電路230的 輸入。
[0027] 比較電路230的一個輸入端連接電源，另一端連接光電二極管210的陰極和電阻 220〇
[0028] 在本發明所述的一種具有溫度補償功能的光電檢測電路，所述光電二極管210通 過標準CMOS工藝實現，對于P襯底工藝，通過P型襯底與N阱形成光電二極管，或者通過P襯底 與N+注入形成光電二極管。對于N襯底工藝，通過N型襯底與P阱形成光電二極管，或者通過N 襯底與P+注入形成光電二極管。
[0029] 在本發明所述的一種具有溫度補償功能的光電檢測電路，所述比較電路230,其特 征在于，比較電路具有閾值電壓VREF，當兩輸入端壓差大于V REF時，比較器輸出低電平，當兩 輸入端壓差小于Vref時，比較器輸出高電平。
[0030] 在本發明所述的一種具有溫度補償功能的光電檢測電路，所述比較電路230,其特 征在于，比較電路的閾值電壓VREF與溫度正相關，實現對光電二極管溫度特性的補償。
[0031] 在本發明所述的一種具有溫度補償功能的光電檢測電路，所述比較電路230,其特 征在于，比較電路的輸入對管為M0S管，M0S管的寬長比比值為N，且N為整數。
[0032]圖3是本發明一實施例提供的光電檢測電路的電路圖，其中光電二極管210的陽極 接地，陰極連接電阻220的一端和比較電路230的正向輸入，電阻220-端接電源和比較電路 230的負向輸入，另一端連接光電二極管210的陰極和比較電路230的正向輸入。
[0033] 比較電路230由PM0S管331~333，NM0S管334、335和電流源336、337組成，其中NM0S 管334和335的寬長比比值為1:N，由于輸入對管寬長比不同，導致比較電路存在失調電壓， 將該失調電壓視為光電檢測電路的參考電壓VrEF，可以表不為VrEF = VtH333~VtH334 ,當MVIOS管 334和335工作在亞閾值區域時，由MOS器件的亞閾值導電特性可以推導出VREF = GVTln N，由 此可知參考電壓的溫度系數為讓In N/q，為正值，可以實現溫度補償。當匪0S管334和335 工作在飽和區時，由M 0 S器件的導電特性可以推導出
該 電壓也是一個正溫度系數電壓，可以實現溫度補償。
[0034] 當光電二極管210未受到光照時，產生電流I為0,電阻220上的壓降為0,匪0S管333 和334的柵極電壓均為電源電壓，其電壓差小于閾值電壓VREF，電路輸出高電平。當光電二極 管210受到光照時，產生電流I，由于M0S管柵極電阻近似為無窮大，所以該電流驅動電阻 220,設電阻220的電阻為R，電阻220上產生電壓為Vi ight = RXI，當Viight〈VREF時，電路輸出高 電平，當Viight>V REF時，電路輸出低電平，閾值光電流為I = VREF/R。電路可以通過調節電阻 220,實現光照強度觸發閾值的調節，通過調節匪0S管333和334的寬長比比例實現溫度補 償。
[0035] 實施例二
[0036] 如圖4所示，其中光電二極管210的陰極接電源，陽極連接電阻220的一端和比較電 路230的正向輸入，電阻220-端接VCM信號和比較電路230的負向輸入，另一端連接光電二 極管210的陽極和比較電路230的正向輸入。
[0037] 電路中VCM信號為電壓信號，可以調節比較電路230的輸入共模電平，也可以用來 調節光電二極管反向電壓，可以有效屏蔽電源抖動對電路的干擾。
[0038] 比較電路230由NM0S管441~443，PM0S管444、445和電流源446、447組成，其中PM0S 管444和445的寬長比比值為1:N，由于輸入對管寬長比不同，導致比較電路存在失調電壓， 將該失調電壓視為光電檢測電路的參考電壓VrEF，可以表不為VrEF = VtH444~VtH445，當PM0S管 444和445工作在亞閾值區域時，由M0S器件的亞閾值導電特性可以推導出V REF = GVTln N，由 此可知參考電壓的溫度系數為讓In N/q，為正值，可以實現溫度補償。當PM0S管444和445 工作在飽和區時，由M0S器件的導電特性可以推導出
該 電壓也是一個正溫度系數電壓，可以實現溫度補償。
[0039] 當光電二極管210未受到光照時，產生電流I為0,電阻220上的壓降為0，PM0S管444 和445的柵極電壓均為電源電壓，其電壓差小于閾值電壓VREF，電路輸出高電平。當光電二極 管210受到光照時，產生電流I，由于M0S管柵極電阻近似為無窮大，所以該電流驅動電阻 220,設電阻220的電阻為R，電阻220上產生電壓為Vi ight = RXI，當Viight〈VREF時，電路輸出高 電平，當Viight>V REF時，電路輸出低電平，閾值光電流為I = VREF/R。電路可以通過調節電阻 220，實現光照強度觸發閾值的調節，通過調節PM0S管444和445的寬長比比例實現溫度補 償。
[0040]如圖5所示，一種具有溫度補償功能的光電檢測電路的光電檢測方法，所述的光電 感應器件依據光照情況產生光電流，光電流驅動電阻產生光電壓VI i ght，利用M0S器件導電 特性產生與溫度正相關的參考電壓VREF，最后通過光電壓Vlight與參考電壓VREF比較輸出 檢測結果；或者電路使用電流比較的方式實現，光電感應器件依據光照情況產生光電流 Ilight，利用MOS器件或晶體管的導電特性產生與溫度正相關的參考電流IREF，最后通過光 電流Ilight與參考電流IREF比較輸出檢測結果。
[0041]以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，應當指出的是，凡 在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保 護范圍之內。
【主權項】
1. 一種具有溫度補償功能的光電檢測電路，其特征在于：它包括將光信號轉換為電信 號的光電二極管，用于將光電流轉換為電壓信號的電阻，用于檢測電壓信號的比較電路;所 述光電二極管第一端接地或接電源電壓，光電二極管第二端接電阻的第一端，光電二極管 與電阻的公共節點連接比較電路的第一信號輸入端，電阻的第二端連接比較電路的第二信 號輸入端。2. 根據權利要求1所述的一種具有溫度補償功能的光電檢測電路，其特征在于:所述的 光電二極管通過標準CMOS工藝實現，對于P襯底工藝，通過P型襯底與N阱形成光電二極管或 者通過P襯底與N+注入形成光電二極管;對于N襯底工藝，通過N型襯底與P阱形成光電二極 管或者通過N襯底與P+注入形成光電二極管。3. 根據權利要求1或2所述的一種具有溫度補償功能的光電檢測電路，其特征在于:所 述的比較電路具有閾值電壓，當兩輸入端壓差大于閾值電壓時，比較電路輸出低電平，當兩 輸入端壓差小于閾值電壓時，比較電路輸出高電平。4. 根據權利要求3所述的一種具有溫度補償功能的光電檢測電路，其特征在于:所述的 比較電路的閾值電壓與溫度正相關，實現對光電二極管溫度特性的補償。5. 根據權利要求4所述的一種具有溫度補償功能的光電檢測電路，其特征在于:所述的 比較電路設置有輸入對管，輸入對管為M0S管，M0S管的寬長比比值為N，且N為整數。6. 根據權利要求5所述的一種具有溫度補償功能的光電檢測電路，其特征在于:所述的 光電二極管的陰極接比較電路的正向輸入端，比較電路的負向輸入端接電源電壓;所述的 比較電路設置有第一 M0S管、第二M0S管、第三M0S管、第四M0S管、第五M0S管、第一電流源和 第二電流源，光電二極管的陽極接地，陰極連接電阻，第一M0S管、第二M0S管和第三M0S管為 PM0S管，第四M0S管和第五M0S管均為NM0S管，第四M0S管和第五M0S管的寬長比比值為1: N， 第一 M0S管的柵極與第二M0S管的柵極連接，第二M0S管的漏極分別連接第三M0S管的柵極和 第五M0S管的漏極，第一 M0S管的源極、第二M0S管的源極以及第三M0S管的源極均接電源電 壓，第三M0S管連接第一電流源第一端，第三M0S管與第一電流源的公共節點連接比較電路 的輸出端;第四M0S管的柵極連接電阻與電源電壓的公共節點，第四M0S管的源極與第五M0S 管的源極相連，第四M0S管與第五M0S管的公共節點連接第二電流源第一端，第一電流源第 二端、第二電流源第二端均接地;第五M0S管的柵極連接電阻與光電二極管的公共節點。7. 根據權利要求5所述的一種具有溫度補償功能的光電檢測電路，其特征在于:所述的 比較電路設置有第一 M0S管、第二M0S管、第三M0S管、第四M0S管、第五M0S管、第一電流源和 第二電流源，光電二極管的陰極接電源電壓，陽極連接電阻；電源電壓分別連接第一電流源 第一端和第二電流源第一端，第一電流源第一端分別連接第四M0S管的源極和第五M0S管的 源極，第五M0S管的柵極連接電阻和光電二極管的公共節點，第四M0S管的柵極與電阻的公 共節點連接VCM電壓信號，VCM電壓信號可以調節比較電路的輸入共模電平，也可以用來調 節光電二極管反向電壓，可以有效屏蔽電源抖動對電路的干擾;第四M0S管的漏極連接第一 M0S管的漏極，第一 M0S管的柵極連接第一 M0S管的漏極，第一 M0S管的柵極連接第二M0S管的 柵極，第二M0S管的漏極分別連接第五M0S關的漏極和第三M0S管的柵極，第一 M0S管源極、第 二M0S管源極和第三M0S管源極均接地，第三M0S管的漏極連接第二電流源第二端，第三M0S 管與第二電流源的公共節點連接比較電路的輸出端。8. -種具有溫度補償功能的光電檢測電路的光電檢測方法，其特征在于:所述的光電 感應器件依據光照情況產生光電流，光電流驅動電阻產生光電壓VI i ght，利用MOS器件導電 特性產生與溫度正相關的參考電壓VREF，最后通過光電壓Vlight與參考電壓VREF比較輸出 檢測結果；或者電路使用電流比較的方式實現，光電感應器件依據光照情況產生光電流 Ilight，利用M0S器件或晶體管的導電特性產生與溫度正相關的參考電流IREF，最后通過光 電流Ilight與參考電流IREF比較輸出檢測結果。
【文檔編號】H03K19/0185GK106052857SQ201610705742
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年8月22日
【發明人】馮純益, 胡楊川, 朱翔, 范偉力, 廖乾蘭, 程福軍
【申請人】成都三零嘉微電子有限公司