橋式輸入電阻負反饋的cmos前放電路的制作方法
【技術領域】
[0001] 本專利涉及一種CMOS電路，特別涉及橋式輸入電阻負反饋的CMOS前放電路。
【背景技術】
[0002] 在航天遙感領域，紅外探測器組件是紅外成像系統的核心元器件，光導型紅外探 測器因其在長波領域具有很大的優勢，所以大部份長波紅外探測使用光導型紅外探測器， 但其內阻很低，一般低于100歐姆，且工作在液氮低溫，這樣就對與該類探測器互連的電路 提出了更高的要求，要求電路即能與低阻抗探測器匹配，也能在液氮低溫下工作。目前大部 分的長波光導紅外探測器信號讀出采用的是探測器與電路分開的設計方法，探測器在低溫 下工作，電路在常溫下工作，信號在傳輸過程中極容易引人干擾，不利于探測系統性能的提 尚。
[0003] 為實現高性能的探測和讀出，要求長波光導探測器與電路近距離連接，所設計的 電路也能在低溫下工作，但目前集成電路的設計大都采用CMOS電路，且其內阻較高，為了 實現高阻CMOS電路與低阻抗探測器的匹配，需要設計一種新型的拓撲結構來實現，本電路 采用了一種橋式輸入電阻負反饋的CMOS前放電路很好地解決了這一問題。該電路不僅僅 適用長波光導探測器信號的高性能讀出，也適用于其它低阻抗的微小電阻變化的測量，對 大規模的長波紅外焦平面探測技術提供了重要的技術基礎。
【發明內容】
[0004] 本專利提出了一種CMOS前放電路，在輸入部分采用橋式輸入方式，克服了現有的 CMOS電路與低阻抗探測器不匹配的問題，該電路適合100歐姆以下的低阻抗探測器信號的 放大，也能在液氮低溫下能正常工作，這樣CMOS前放電路與探測器互連后都能在液氮低溫 下正常工作，克服了現在的探測器在低溫下工作，電路在常溫下工作，信號在傳輸過程中極 容易引人干擾的缺點。
[0005] 其工作原理為：電路輸入端為平衡橋式方式，低阻抗探測器電阻的微小變化使橋 失去平衡，其電壓差直接輸入到放大器的正負輸入端實現差分放大。不同反饋電阻的設置 能滿足不同的帶寬要求和不同的等效輸入噪聲，在保證放大器帶寬的情況下盡可能使用大 的反饋電阻來降低電路的等效輸入噪聲。增大偏置電流能增加探測器的信號，但如果流過 探測器的電流太大，會使探測器發熱加劇，提高系統制冷要求，但太小的電流會使探測器產 生的電壓信號太小，不利于信號的高性能讀出，所以偏置電阻設計為1K歐姆，±1.5伏到 ±5伏供電時流過探測器的電流為1. 5毫安到5毫安。
[0006] 本專利的技術解決方案是：
[0007] 在輸入部分采用平衡橋式輸入結構，輸入部分的兩條橋式支路均采用1K歐姆偏 置電阻，雙端輸入單端輸出放大器采用正負電源供電；差分放大器的負輸入端與輸出端之 間采用可供選擇的5M、2M或1M歐姆的反饋電阻，其特點是：
[0008] a)在圖1中，R4、R5、探測器和盲元構成橋式輸入結構，R4與紅外光導探測器相連， 形成一條通路，R5與盲元相連，形成另一條通路，兩條通路構成平衡橋式結構。R5與R4對 應，其阻值相等，本電路設計為1K歐姆，在探測器和盲元電阻都小于100歐姆的情況下，從 偏置電壓輸入端引入的噪聲抑制比大于20dB;
[0009] b)圖2為差分放大器電路拓撲結構圖。采用差分輸入的一級折疊共源共柵結構。 其中PM7和PM8是輸入對管，？117、？118、匪4、匪5構成差分輸入的共源共柵結構，？114、？115為 差分輸出的有源負載，NM6、NM7給共源共柵提供電流源，In-、In+為差分運算放大器的正負 輸入端。匪3與NM0構成第一級電流鏡，PM0與PM1構成第二級電流鏡，匪1與放大部分的 NM6、匪7構成電流鏡，PM0與放大部分的PM3構成電流鏡。因該放大器采用正負電源供電， 輸入端無最小電壓要求；
[0010] C)差分放大器的負輸入端與輸出端之間采用可供選擇的5M、2M或1M歐姆的反饋 電阻，當開關1和開關2全為高時，總的反饋電阻約為0. 6M歐姆，當開關1和開關2全為低 時，總的反饋電阻為5M歐姆，通過選擇開關1和開關2可組合成不同的反饋電阻大小。該 放大器適合于不同響應率探測器信號的放大讀出。
[0011] 本專利有如下優點：
[0012] 1、該電路拓撲結構采用平衡橋式輸入和電阻負反饋的方法，順利地解決了CMOS 電路與低阻抗探測器匹配的問題。
[0013] 2、因該電路能在液氮低溫下工作，可實現電路與探測器一同封裝并能在液氮低溫 下工作，大大降低了組件的等效輸入噪聲。
[0014] 3、反饋電阻設計為5M、2M或1M歐姆的反饋電阻，可實現不同的放大倍數。
[0015] 4、偏置電阻設計為1K歐姆，當探測器元和盲元的電阻小于100歐姆時，從偏置電 壓輸入端引入的噪聲抑制比大于20dB，有利于等效輸入噪聲的降低。
【附圖說明】
[0016] 圖1為橋式輸入電阻負反饋的CMOS前放電路總體結構圖。
[0017] 圖2為DIF-AMP差分放大器電路拓撲結構圖。
【具體實施方式】
[0018] 實施例1
[0019] 圖1為橋式輸入電阻負反饋的CMOS前放電路總體結構圖。R4與紅外光導探測器 相連，形成一條通路，R5與探測器盲元相連，形成另一條通路，兩條通路構成平衡橋式結構。 若要加大或減小流過光導探測器的電流，可以加大或減小R4和R5的電阻大小。R5與R4對 應，其阻值應設計為相等，本電路設計為1K歐姆。盲元和探測器的電阻大小相等，若探測器 電阻與盲元電阻的大小不一致，可以通過調節Vbias使電路正常工作。該放大器適合100 歐姆以下的低輸入阻抗光導探測器信號的放大。當紅外光導探測器接受紅外信號后，其電 阻發生微小變化，引起in與ref端的電壓差發生改變，其改變量通過放大器使紅外信號順 利讀出。
[0020] 當探測器電阻和盲元電阻為100歐姆時，偏置電阻1K歐姆為探測器電阻或盲元電 阻的10倍，這樣從Vbias端引入的噪聲到達放大器輸入端時其噪聲就被抑制了 10倍。在 偏置電阻一定的情況下，探測器和盲元的電阻越小，其噪聲的抑制倍數就越大。偏置電阻與 探測器電阻的差值越大對噪聲抑制越有好處。
[0021] 為了保證合適的放大倍數，本電路設計為5M、2M或1M歐姆的反饋電阻可選，當開 關1和開關2全為高時，總的反饋電阻約為0. 6M歐姆，當開關1和開關2全為低時，總的反 饋電阻為5M歐姆，通過選擇開關1和開關2可組合成不同的反饋電阻大小。若要增加放大 倍數，可以增大反饋電阻大小，但可能引起放大器帶寬的變小，具體情況應根據探測器的響 應率來決定。本電路反饋電容設計為2PF，該電容大小可以根據CMOS工藝的具體情況做適 當的調整，目的是保證放大器在正常工作時能實現相位裕度補償，消除高頻振蕩，起穩定電 路的作用。
[0022] 實施例2
[0023] 圖2為差分放大器電路拓撲結構圖。采用差分輸入的一級折疊共源共柵結構。其 中PM7和PM8是輸入對管，PM7、PM8、NM4、NM5構成差分輸入的共源共柵結構，PM4、PM5為 差分輸出的有源負載，NM6、NM7給共源共柵提供電流源，In-、In+為差分運算放大器的正負 輸入端。匪3與NM0構成第一級電流鏡，PM0與PM1構成第二級電流鏡，匪1與放大部分的 NM6、匪7構成電流鏡，PM0與放大部分的PM3構成電流鏡。管子參考尺寸如下表所不（單位 為微米）。
[0024]
[0025] 該差分放大器采用共源共柵結構，可利用正負電源供電，這樣差分輸入端無最小 電壓要求，當差分輸入端為零伏時電路也能正常工作。由于該差分放大器采用了折疊共源 共柵結構，在常溫和液氮低溫下都能正常工作，工作電壓范圍較大，在±2.5伏和±1伏之 間都能正常工作，但需考慮工作電壓的不同導致的功耗差異。
[0026] 實施例3
[0027] 在液氮低溫下，對該CMOS前放電路進行了測試，其最小放大倍數為400倍（0. 6M 歐姆的反饋電阻）。然后把CMOS前放電路與低阻抗探測器進行了互聯，對該組件進行了測 試，電路和探測器的工作狀態良好，組件的3dB帶寬大于2KHZ，等效輸入點噪聲小于30nV/ H廠1/2。利用鎖相放大器EGModel117對其通帶噪聲進行了測試，結果如下表所示：
[0028]
[0029] 從測試結果看，該橋式輸入電阻負反饋的CMOS前放電路與低阻抗探測器連接后 在液氮低溫下信號能順利讀出，噪聲測試結果優良，成功實現了高阻CMOS電路與低阻抗探 測器的匹配。
[0030] 以上通過具體的實施例對本專利進行了說明，但本專利并不限于這些具體的實施 例。本領域技術人員應該明白，還可以對本發明做各種修改、等同替換、變化等等，這些變換 只要未背離本專利的精神，都應在本專利的保護范圍之內。
【主權項】
1. 一種橋式輸入電阻負反饋的CMOS前放電路，由輸入部分和放大部分構成，其特征在 于： 所述的輸入部分采用平衡橋式輸入方式，兩條橋式支路均采用IK歐姆偏置電阻，一條 支路與探測器相連，形成一條通路，另一條支路與盲元相連，形成另一條通路，兩條通路構 成平衡橋式結構； 所述的放大部分采用可變增益的電阻負反饋結構，在負輸入端與輸出端之間采用可供 選擇的5M、2M或IM歐姆的反饋電阻，通過兩個開關控制形成不同大小的反饋電阻，所述的 放大部分中的差分放大器采用共源共柵結構，正負電源供電，輸入部分與放大部分直接耦 合相連。
【專利摘要】本專利公開了一種橋式輸入電阻負反饋CMOS前放電路，由輸入部分和放大部分構成，輸入部分與放大部分直接耦合相連。該電路在輸入部分采用平衡橋式輸入結構，輸入部分的兩條支路均采用1K歐姆偏置電阻，一條支路與探測器相連，形成一條通路，另一條支路與盲元相連，形成另一條通路，兩條通路構成平衡橋式結構。為滿足不同的放大倍數要求，適應不同響應率探測器信號的放大讀出，放大部分采用可變增益的電阻負反饋結構，放大部分的負輸入端與輸出端之間采用可供選擇的5M、2M或1M歐姆的反饋電阻，通過兩個MOS開關控制形成不同大小的反饋電阻。為使電路能在液氮低溫下工作，放大部分中的差分放大器采用共源共柵結構，正負電源供電。
【IPC分類】H03F1/34, H03F3/45
【公開號】CN204681319
【申請號】CN201520372601
【發明人】袁紅輝, 陳世軍, 陳永平
【申請人】中國科學院上海技術物理研究所
【公開日】2015年9月30日
【申請日】2015年6月2日