用于光通信的光電傳感器設(shè)計(jì)

樓卓格　張永超　陳隆杰

摘 要：本文提出一種用于光通信的光電傳感器。基于標(biāo)準(zhǔn)硅0.5μm CMOS 工藝，設(shè)計(jì)了高帶寬高增益單片光電集成傳感器芯片。主要由標(biāo)準(zhǔn)硅工藝兼容的光電探測(cè)器、芯片放大電路和帶隙基準(zhǔn)組成。根據(jù)仿真分析，芯片放大電路增益為88.12dB，其-3dB帶寬為138MHz。

關(guān)鍵詞：光電集成；光電傳感器；仿真分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.15.139

1 引言

現(xiàn)使用廣泛的光電探測(cè)器與芯片放大電路都是各自獨(dú)立的，集成度低并且成本較高。本文提出一種高帶寬高增益的單片光電集成傳感器芯片。基于標(biāo)準(zhǔn)硅0.5μm CMOS工藝，將硅光電探測(cè)器（Photodetector，PD）與芯片放大電路單片集成。光電集成電路不僅有效降低光電傳感器芯片的生產(chǎn)和封裝成本，同時(shí)能減少由于器件之間的互連線造成的寄生效應(yīng)，提高器件的穩(wěn)定性和可靠性[1]。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文提出的光電傳感器芯片主要由標(biāo)準(zhǔn)硅0.5μm CMOS工藝兼容的光電探測(cè)器（PD）、芯片放大電路和帶隙基準(zhǔn)組成[2]。硅基芯片在對(duì)于650nm至850nm波長范圍的入射光源具有良好的響應(yīng)度。入射光源擁有相對(duì)較大的滲透深度，因此在設(shè)計(jì)光電探測(cè)器時(shí)，需要充分考慮滲透深度的影響[3-4]。

如圖1為所設(shè)計(jì)的PD半邊結(jié)構(gòu)剖面圖。PN結(jié)位于各個(gè)N-WELL與P-SUB之間。在N+上引出的金屬串聯(lián)在一起并作為PD的正極引出，在P+上方的金屬串聯(lián)在一起并作為PD的負(fù)極引出，接入芯片放大電路。此種設(shè)計(jì)P-N結(jié)位置較深，更加有利于光生載流子的收集。相比單一N-WELL與P襯底的組合結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)增大了PN結(jié)面積。因此能夠獲得相對(duì)更多的光生電流。

芯片放大電路主單元如圖2所示。采用了改進(jìn)型的限幅放大器作為放大電路主單元。

圖3為改進(jìn)型限幅放大器的小信號(hào)等效電路圖。根據(jù)基爾霍夫定律，有：

比較傳統(tǒng)的差分限幅放大器的低頻增益式和本文改進(jìn)型限幅放大器的低頻增益，可以看到本文所使用的改進(jìn)型結(jié)構(gòu)電路低頻增益是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)增益的fAC倍，fAC由R2與R1的比值決定[5]，可以使用較大R2/R1的電阻以獲得較大的增益，但是該值過大會(huì)引起輸出電壓裕度的下降。

3 仿真分析

基于Cadence軟件對(duì)設(shè)計(jì)的芯片電路使用Spectre功能仿真分析。建立等效電路模型模擬光電探測(cè)器接收光信號(hào)。將輸入信號(hào)頻率設(shè)置為50MHz正弦波，偏置電流設(shè)置為4μA，電流幅值設(shè)置為4μA，結(jié)電容大小設(shè)置為15pF。

使用Spectre功能仿真，圖4和圖5給出了芯片放大電路的瞬態(tài)特性和交流特性曲線。由圖可知，仿真輸出直流點(diǎn)為4.54V，幅值為0.04V。芯片放大電路增益為88.12dB，其-3dB帶寬為138MHz。

4 結(jié)論

本文在標(biāo)準(zhǔn)0.5μm CMOS工藝的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了高帶寬高增益的光電傳感器芯片，實(shí)現(xiàn)光電探測(cè)器與芯片電路的單片集成。設(shè)計(jì)了一種光電探測(cè)器結(jié)構(gòu)以及改進(jìn)型限幅放大器結(jié)構(gòu)。相對(duì)于傳統(tǒng)限幅放大器，改進(jìn)型限幅放大器增益提升了fAC倍。對(duì)芯片電路仿真結(jié)果顯示，芯片放大電路增益為88.12dB，其-3dB帶寬為138MHz。

參考文獻(xiàn)：

[1]S.M.Sze.Physics of semiconductor devicds （2nd Edition）[M]. JOHN WILEY& SONS，New York，1981.

[2]Sanborn Keith， Ma Dongsheng，Ivanov Vadim. A sub-1-V low-noise bandgap voltage reference[J].Solid-State Circuits，IEEE Journal of，2007，42（11）：2466-2481.

[3]唐天同等.集成光電子學(xué)[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，2005.

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作者簡介：樓卓格（1991-），男，浙江永康人，碩士研究生，助教，研究方向：光電集成電路方向。