2×8低噪声InGaAs／InP APD读出电路设计
2×8低噪声InGaAs／InP APD 读出电路设计
0 引言在红外通信的1 310～1 550 nm 波段，高灵敏度探测材料主要有Ge―APD和InGaAs／InP APD，两者相比较，InGaAs／InP APD 具有更高的量子效率和更低的暗电流噪声。
In0.53Ga0.47As／InP APD 采用在n+-InP 衬底上依次匹配外延InP 缓冲层、InGaAs 吸收层、InGaAsP 能隙渐变层、InP 电荷层与InP 顶层的结构。
APD 探测器的最大缺点是暗电流相对于信号增益较大，所以设计APD 读出电路的关键是放大输出弱电流信号，限制噪声信号，提高
信噪比。
选择CTIA 作为读出单元，CTIA 是采用运算放大器作为积分器的运放积分模式，比较其他的读出电路，优点是噪声低、线性好、动态范围大。
1 工作时序和读出电路结构作为大阵列面阵的基础，首先研制了一个2×8读出电路，图1 给出了该电路的工作时序，其中Rl、R2 为行选通信号；Vr 为复位信号；SHl、SH2 是双采样信号；C1、C2、…、C8 为列读出信号。
电路采用行共用的工作方式，R1 选通(高电平)时，第一行进行积分，SH1 为高电平时，电路进行积分前采样，SH2 为高电平时，进行积分结束前的采样，
C1、C2、…、C8 依次为高电平，将行上的每个像元上信号输出；然后R2 为高电平，重复上面的步骤，进行第二行的积分和读出。
图2 是2×8读出电路的结构框图，芯片主要由行列移位寄存器、CTIA 和CDS 单元组成，图中用虚线框表示：移位寄存器单元完成行列的选通，CTIA
功能块将探测器电流信号按行进行积分，CDS 功能块能抑制电路的噪声，如KTC(复位噪声)、FPN(固定图形噪声)等；FPGA 主要产生复位信号(Vr)和采样
信号(SH1、SH2)，触发电路的复位和采样动作，C8 为该组信号的触发信号，
解决和芯片内行列选通信号同步问题。
低噪声电路设计
Time vs frequency domain - 3
• Phase difference between two signals can be clearly seen in time domain. • However, in frequency domain, they are almost identical. • Power spectrum does not convey the phase information.
1/ 2
I n,rms
1 T 2 in (t )dt T 0
1/ 2
T – Time during which the noise is observed
Noise presentation in frequency-domain
Mean squared value (total noise power):
Noise summation
Vno t Vn1 t Vn 2 t
Vn1(t ) Vn0(t )
2 Vno ,rms
(Vn1 and Vn2 are not correlated)
Vn2(t )
1 T 2 V ( t ) V ( t ) dt n 1 n 2 0 T 2 T 2 2 Vn1,rms Vn 2,rms Vn1 (t ) Vn 2 (t )dt T 0 Vn21,rms Vn22,rms
Signal-to-noise ratio (SNR) Noise figure (NF)
Signal-to-niose ratio (SNR):
P SNR ( dB ) 10 log s Pn
Vn,rms 0.5 10
焦平面APD探测器的国内外技术现状和发展趋势
红外焦平面探测器的国内外技术现状和发展趋势一、焦平面APD探测器的背景及特点焦平面APD探测器主要是由：APD阵列和读出电路(ROIC)两部分组成，其中APD是核心元件。
1、APD雪崩光电二极管（APD）是一种具有内部增益的半导体光电转换器件，具有量子响应度高、响应速度快、线性响应特性好等特点，在可见光波段和近红外波段的量子效率可达90%以上，增益在10～100倍，新型APD材料的最大增益可达200倍，有很好的微弱信号探测能力。
2、APD阵列的分类按照APD的工作的区间可将其分为：Geiger-modeAPD（反向偏压超过击穿电压）和线性模式APD（偏压低于击穿电压）两种。
（1）Geiger-modeAPD阵列的特点优点：1）极高的探测灵敏度，单个光子即可触发雪崩效应，可实现单光子探测；2）GM-APD输出信号在100ps量级，即有高的时间分辨率，进而有较高的距离分辨率，厘米量级；3）较高的探测效率，采用单脉冲焦平面阵列成像方式；4）较低的功耗，体积小，集成度高；5）GM-APD输出为饱和电流，可以直接进行数字处理，读出电路(ROIC)不需要前置放大器和模拟处理模块，即更简单的ROIC。
缺点：1）存在死时间效应：GM-APD饱和后需要一定时间才能恢复原来状态，为使其可以连续正常工作需要采用淬火电路对雪崩进行抑制。
2）GM-APD有极高的灵敏度，其最噪声因素更加敏感，通道之间串扰更严重。
（2）线性模式APD阵列的特点优点：1）光子探测率高，可达90%以上；2）有较小的通道串扰效应；3）具有多目标探测能力；4）可获取回波信号的强度信息；5）相比于GM-APD，LM-APD对遮蔽目标有更好的探测能力。
缺点：1）灵敏度低于GM-APD；（现今已经研制出有单光子灵敏度的LM-APD）2）读出电路的复杂度大于GM-APD（需对输入信号进行放大、滤波、高速采样、阈值比较、存储等操作）。
（其信号测量包括强度和时间测量两部分）按照基底半导体材料APD可分为：SiAPD、GeAPD、InGaAsAPD、HgCdTeAPD。
台面型InGaAs探测器暗电流及低频噪声研究
光电子・激光第21卷第4期 2010年4月 Journal of Optoelectronics・Laser Vol.21No.4 Apr.2010台面型I nG aAs探测器暗电流及低频噪声研究3李 淘1,2,汪 洋1,李永富1,2,唐恒敬1,李 雪1,龚海梅133(1.中国科学院上海技术物理研究所,传感技术国家重点实验室,中国科学院红外成像材料与器件重点实验室,上海200083;2.中国科学院研究生院,北京100039)摘要:制备了一系列不同面积的台面型InG aAs红外探测器,通过周长面积比(P/A)的变化分析了器件的暗电流机制及低频噪声性能。
结果表明,在现有的材料和工艺水平下,台面边缘和体内的产生复合电流都在总暗电流中占了较大部分。
对测试结构器件的低频噪声测量表明,在反偏下,器件表现出明显的1/f噪声;由于边缘产生复合电流对小尺寸器件的影响大,其产生的噪声使得器件总噪声变大。
这些结果表明,以后的工艺改进应注重减少边缘电流和体内产生复合电流。
关键词:红外探测器;InG aAs;暗电流;噪声中图分类号:TN215 文献标识码:A 文章编号:100520086(2010)0420500204I nvestig ation on d ark cu rrent and lowfrequ ency noise of m es a typ eI nG aAs infrared d etectorLI T ao1,2,W ANG yang1,LI Y ong2fu1,2,T ANG Heng2jing1,LI Xue1,G ON G Hai2mei133(1.State K ey Laboratories of T ransducer T echnology,Shanghai Institute of T echnical Physics,K ey Laboratories ofInfrared Imaging Materials and Detectors,Shanghai Institute of T echnical Physics,Chinese Academy of Sciences,Shanghai200083,China;2.G raduate S chool of the Chinese Academy of Sciences,Beijing100039,China)Abstract:We fabricate a series of mesa type InG aAs infrared detectors with different areas.We use per2imeter2to2area analysis to investigate the dark current mechanism and low frequency noise characteristicof these detectors.In these detectors the generation2recombination(g2r)currents that are related to mesaedge and the bulk dominate the total dark current.The results of the noise measurement show that,atlow frequencies the detectors are1/f noise dominated.The total noise becomes larger with the increas2ing edge g2r current of the detector when the device size reduces.The above results indicate that theprocess improvement should focus on reducing the edge g2r current and bulk g2r current.K ey w ords:infrared detector;InG aAs;dark current;noise1 引 言 与InP衬底晶格匹配的In0.53G a0.47As探测器已经在光通讯等领域得到大量应用,商业的需求不断推动其材料生长设备、器件制备工艺的改进,使InG aAs短波红外探测器的发展越来越成熟,在航天遥感、红外成像和测温等领域有着广泛的应用前景,国外已经成功将InG aAs探测器应用在空间遥感等多个领域[1]。
低噪声放大器(LNA)仿真与设计ADS.ppt
20.03.2019
三、低噪声放大器基础知识
（3）噪声系数 放大器的噪声系数是输入信号的信噪比与输出信 号的信噪比的比值，表示信号经过放大器后信号质量 的变坏程度。级联网络中，越靠前端的元件对整个噪 声系数的影响越大，在接收前端：必须做低噪声设计。 放大器的设计要远离不稳定区。噪声的好坏主要取决 于器件和电路设计。 （4）动态范围 放大器的线性工作范围。最小输入功率为接收灵 敏度，最大输入功率是引起1dB 压缩的功率。
与源阻抗无关，与负载阻抗有关 ; 资用功率增益：二端口网络输入资用功率与输出资用功率之比，源 端和负载端均共扼匹配，与源阻抗有关，与负载阻抗无关。它表示放 大器增益的最大潜力; 转换功率增益：负载吸收功率与二端口网络输入端的资用功率之比， 与两端阻抗都有关。
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三、低噪声放大器基础知识
20.03.2019
三、低噪声放大器基础知识
1.3 放大器常用元器件
1.两端负阻的二极管器件
变容二极管 ：参量放大
隧道二极管：隧道效应 耿氏二极管：转移电子 碰撞雪崩渡越时间二极管：雪崩渡越时间 特点：应用于放大器电路的早期器件，制造比较容易、便宜，
但是两端口器件实现增益的相关电路价格确比较昂贵，且稳定 性较差，调试工作困难。
20.03.2019
一、电路噪声的定义与分析
1.2 噪声的分类
内部噪声，在没有施加外部电流的情况下所能够观察到的噪声： 电阻的热噪声 额外噪声，只有施加外部电流的情况下才能够观察到的噪声： 1/f噪声 散粒噪声 外部噪声， 环境噪声 外部电子干扰噪声
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一、电路噪声的定义与分析
1.3 热噪声的定义
导体中的噪声功率表示为： P k T f k T B （1） n 其中K为波尔兹曼常数，T是绝对温度用K表示，
高速InGaAs单光子探测器设计
在８００．９００ｎｍ波段，硅雪崩光电二极管凭借其优越性能、高可靠性以及廉价获得了广泛的应用。
根据硅在８００—９００ｎｍ波段的光吸收系数值，为获得高的量子效率，ＡＰＤ需要具有３０—５０ｎｍ长的耗尽区。
在单边突变的ｐ－ｎ结中，为得到长的耗尽区并降低ＡＰＤ的工作电压，硅ＡＰＤ采用了一种有ｎ＋．Ｐ．舻ｐ＋构成的拉通型结构，如图２．２所示。
图２－２拉通型ＡＰＤ内部结构及电场分布其中７ｃ层为受主杂志，掺杂浓度很低，接近Ｐ型本征层。
图中右方表示了电场强度的分布示意图。
近年来，随着半导体工艺技术的发展，人们开展了硅单光子探测器的集成化和阵列化的研究。
由于拉通型结构耗尽层厚，所需功率大且需热电冷却，不易集成化。
因此一种新的薄型结构被开发，如图２．３所示。
该结构所需偏置电压仅为１５．４０Ｖ，同时因为耗散功率小，不需冷却。
虽然利用薄型ＡＰＤ制成的硅单光子探测器的探测效率在８３０ｎｍ时只有１０％。
但由于集成化和阵列化可以发挥更大、更广的作用，因此还是有越来越多的人投入到薄型硅ＡＰＤ的研究当中。
图２－３薄型ＡＰＤ内部结构２．３．２锗（Ｇｅ）ＡＰＤｌｌ２Ｉ对锗ＡＰＤ单光子探测器的研究很早就开展了。
实验表明，当温度高于１００Ｋ时，只要锗ＡＰＤ的偏置电压大于其雪崩电压就会产生雪崩效应，这是由于锗ＡＰＤ的热激发非常严重。
在实际应用中，必须将其冷却至１００Ｋ以下。
通常使用液氮将８山东大学硕士学位论文第三章正弦门控单光子探测器设计３．１正弦门控工作模式１１４ｉ在单光子探测中，由于ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰＡＰＤ探测的是极其微弱的单光子信号，要想使光生载流子转换为可测量的宏观电流，需要非常大的倍增增益。
ＩｎＧａＡｓＡＰＤ工作在盖革模式下，即偏置电压略高于雪崩击穿电压，此时，ＡＰＤ会发生自持雪崩增益，理论上增益为无穷大。
当雪崩发生后，所产生的电流非常大，此时需要及时抑制雪崩，否则雪崩次数增多会损坏ＡＰＤ。
另外，在雪崩效应的发生过程中，ＡＰＤ无法对后续入射的光子再次做出响应，为使ＡＰＤ能够准确探测到下一个单光子，要求必须能够及时快速抑制雪崩电流。
低噪声APD偏置电路
-74-《国外电子元器件》2002年第9期2002年9月●MAXI M专栏低噪声APD偏置电路M AXIM公司M ehm et Nalbant徐继红1APD的特性雪崩光电检测器(APD)和PIN二极管通常被作为接收器用于光通信中。
其中APD适合于高灵敏度和高带宽的光接收电路。
但这种器件在工作时需要施加一个反向结压,这样,当接收到射线时产生的电子空穴对会被外加电场收集并转换为电流,其电流强度正比于射线强度。
另外,工作时施加在器件上的反向偏置电压会引发雪崩效应,其雪崩增益可通过改变偏压来进行调节。
这就有可能对光纤接收器的增益进行优化。
然而,要得到满意的雪崩增益,就必须给APD提供一个比较高的反向偏压。
很多APD 需要40V～60V的偏压,有些器件甚至要求高达80V 的反向电压。
另外,该增益还会随着温度的变化而改变,而且还要受到制造工艺的影响。
因此,在一个典型系统中,如果要求APD工作于恒定增益,其高压偏置电源必须能够改变,以补偿因温度和制造工艺而造成的增益变化。
同时要获得恒定的增益,APD 电源必须具有大约+0.2%/℃的温度系数(相当于约100mV/℃)。
图1给出了一个典型的a g ere1319型接收器所要求的偏置电压随温度的变化关系。
2APD电源有很多方法可使APD电源具有可变的输出电压,以补偿增益随温度的变化。
实际上APD模块内的温度测量元件本身就可以直接接入电源来调节输出电压。
在有些系统中,也可以由微控制器来读取电阻值,然后向电源发出指令以调节偏置电压。
图2所示是一个APD偏置电源的基本原理。
这个电路是基于M AX5026低噪声、固定频率PWM升压转换器而设计的,可工作于电感电流不连续模式。
该器件的开关速度被有意减慢的目的是便于降低高频电压毛刺。
同时开关速度的降低还可减小高频di/dt和dv/dt辐射。
作为辐射及耦合噪声的主要来源,它们会通过电流环以及管脚到管脚、管脚到PC B线条之间的寄生电容进入周边电路。
PIN光电探测器低噪声前置放大电路设计
整 的方波信号 ， 仿真结果如图 ４ 所示。 明放大器能进行 说 无失真地传输 。 对输 出的方波信号进行傅 里叶变换之后 ，
所示 ， 电压响应度为 ：
Ｒ ＝ ＝ ＝２３ －３× １ ５ Nhomakorabea× １ ０１ ＞ ０
可以看 出信号的低频 和高频都 在一个 带宽范 围之 内 ， 分 别如图 ５和图 ６ 所示 。
图 ２光 电转 换 电路
前提下工作点尽量设低 ， 滤除部分噪声等 。
１ ． ２仿真结果
此次电路设计使用 的 ＰＮ光电二极管 电流的响应度 Ｉ
Ｒ ０ ５ ／ 最 小探 测光 功率 Ｐ １Ｏ Ｗ， 产 ． ＡＷ， ２ ＝ ０ ｎ 主要测 试光 功 率 为 １ ｗ ， 样 电阻 为 ２ Ｑ， 取 ｋ 因此 ， 根据式（ 可 以计算 １ ） 出在 １０ Ｗ 下 ， ： ０ｎ 有
当 Ｒ 较 大时 ， １ 因光 电二极管结 电容等 的分流作用 ，
流经 Ｒ 的电流为 × ， 出电压为 ： １ Ｌ输
１ ， × Ｒ （ ３ ）
Ｖｅｅ
，上限截止频率为
Ｚ订 “。 Ｌ’
， 即为 ｆ ｒ
放大电路 的带宽 ， 带宽设置合适可以有效滤 除噪声 ， 而且 对输 出信号上 升时 间有 很大 的影 响 ，两者 的关系 为
２０１ Ａ， ． 根据式（可计算 出： ３ ）
Ｖ ×ＲＩ ０１ Ａ×２ Ｑ ＿ ．ｍＶ ＝． ｋ ０２ （） ６
图 ３光电二极 管等效 电路
在仿真时 ，需要首先对选用光敏面直径 ＝ ｍ ２ ｍ的 光 电二极管进行建模 ， 由电流源 、 电容和 电阻构成 （ 图 如 ３ 所示 ） 在对放大 电路进行基本偏置点仿真确定工作点 。
１１１ 电转换 电路 ．， 光
集成电路设计的低噪声与高精度
集成电路设计的低噪声与高精度集成电路（IC）设计是一个复杂且精细的过程，尤其是在低噪声和高精度方面。
随着科技的不断发展，集成电路在各个领域中的应用越来越广泛，如通信、医疗、航空航天等。
这些应用对集成电路的性能提出了更高的要求。
本文将详细探讨集成电路设计的低噪声与高精度。
1. 低噪声设计在集成电路设计中，低噪声是一个重要的性能指标。
噪声会影响电路的稳定性和准确性，从而影响整个系统的性能。
为了实现低噪声设计，需要从以下几个方面入手：1.1. 选用低噪声元件在设计过程中，应选用具有较低噪声特性的元件。
例如，在模拟电路中，选用低噪声放大器和运算放大器；在数字电路中，选用低功耗、低噪声的逻辑器件。
1.2. 优化电路布局电路布局对噪声有重要影响。
合理的布局可以降低电路间的干扰，从而降低噪声。
在布局时，应注意以下几点：•尽量缩短信号路径，减少信号传输过程中的噪声积累；•电源和地线应尽量粗，以降低电阻和电感；•数字和模拟电路应分开布局，以减小相互干扰；•高速信号和低速信号应分开布局，避免相互干扰。
1.3. 滤波设计滤波是降低噪声的有效手段。
在设计过程中，应根据系统的实际需求，采用合适的滤波器。
例如，在模拟电路中，可采用低通、高通、带通、带阻等滤波器；在数字电路中，可采用数字滤波器。
1.4. 降噪技术除了上述方法外，还可以采用一些降噪技术，如差分放大、噪声抵消、电容耦合等。
这些技术可以有效地降低噪声，提高电路的性能。
2. 高精度设计高精度是集成电路设计的另一个重要指标。
高精度设计可以保证电路在特定条件下具有较高的性能稳定性。
为实现高精度设计，需关注以下几个方面：2.1. 选用高精度元件在设计过程中，应选用高精度、低失真的元件。
这类元件具有较好的线性度和稳定性，有利于提高电路的精度。
2.2. 温度补偿温度对集成电路的性能有很大影响。
在设计时，应考虑温度补偿措施，以减小温度变化对电路性能的影响。
例如，采用温度补偿电路、选用温度特性较好的元件等。
两种钝化结构InGaAs红外探测器低频噪声的研究_吕衍秋
(1 .China Airborne Missile Academy, Luoyang 471009 , CHN;2.State Key Laboratory of Transducer Technology, Shanghai Institute of Technical Physics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200083, CHN)
关键词 : 红外探测器 ;InGaAs ;低频噪声 ;钝化 中图分类号 :T N215 文献标识码 :A 文章编号 :1001 -5868(2009)03 -0339 -04
Study on Low Frequency Noise of InGaAs Infrared Detectors with Two Passivation Structures
摘 要 : 低频噪声的测量和分析已成为红外探测器性能和可靠性评估的一种重要手段 。制 备了聚酰亚胺单层钝化和硫化后 ZnS/ 聚酰亚胺双层钝化两种结构 InGaAs 探测器 , 测试了不同偏 压或不同温度下器件的低频噪声谱 , 讨论了偏压和温度对 InGaA s 探测器低频噪声的影响 。随着 偏压的增加 , 噪声增大 , 拐点向低频方向移动 , 并且低频噪声随温度降低而减小 。认为硫化后 ZnS/ 聚酰亚胺双层钝化器件相对聚酰亚胺单层钝化器件相同偏压或温度下噪声较小 , 拐点低 。 因为硫 化处理和 ZnS 层增强了钝化效果 , 器件的表面漏电流明显减小 , 因而大大降低了器件的低频噪声 。
CCD低噪声读出电路设计
CCD低噪声读出电路设计狄腊梅; 刘宏; 张志勇【期刊名称】《《现代电子技术》》【年(卷),期】2019(042)020【总页数】5页(P1-4,8)【关键词】CCD; 读出电路; FPGA; 模拟前端; 信号采样; 数据分析【作者】狄腊梅; 刘宏; 张志勇【作者单位】西北大学信息科学与技术学院陕西西安 710127; 中国科学院西安光学精密机械研究所光谱成像技术中科院重点实验室陕西西安 710119【正文语种】中文【中图分类】TN722.3-34; TP301.60 引言目前，近红外探测技术已被广泛应用于高光谱遥感成像和医学等方面的检测。
为了满足实际需要，对近红外探测技术的性能要求也很高。
作为探测系统的重要组成部分，读出电路的性能至关重要，其与系统成像的质量与噪声性能有很大关系。
因此，设计低噪声读出电路具有非常重要的意义[1]。
在近红外检测系统中，最重要的硬件电路由红外增强图像传感器和读出电路组成。
图像传感器的主要功能是将目标物体的红外辐射光信号转换为读出电路的输入信号，即转化为读出电路可以处理的电压信号。
读出电路的功能是对图像传感器输出的电信号进行一系列处理优化和有序输出，使后级计算机可以进行图像处理。
由于近红外图像传感器的输出信号非常弱，处理起来非常困难，所以对读出电路的性能要求非常高。
可以说，近红外探测系统成像的质量在很大程度上取决于读出电路的性能[2]。
由于近红外探测技术的不断发展，其在探测成像方面反映出应用的重要性，因此引起了国内外的广泛关注。
检测系统的成像质量在很大程度上取决于读出电路的输出信号的噪声水平，并且较低的噪声可以改善动态范围，同时减少图像噪声，因此设计低噪声读出电路具有非常重要的意义[3]。
本文将针对图像传感器的噪声特性，通过降噪技术设计低噪声读出电路，最后通过分析TH7888A 的性能，设计一款采用全差分CDS 双相关采样技术的近红外读出电路[4-5]。
1 电路设计本文对面阵图像传感器TH7888A 的输出信号的性能进行了详细的分析研究，并设计相应的读出电路。