2×8低噪聲InGaAs／InP APD讀出電路設(shè)計
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在紅外通信的1 310～1 550 nm波段，高靈敏度探測材料主要有Ge―APD和InGaAs／InP APD，兩者相比較，InGaAs／InP APD具有更高的量子效率和更低的暗電流噪聲。In0.53Ga0.47As／InP APD采用在n+-InP襯底上依次匹配外延InP緩沖層、InGaAs吸收層、InGaAsP能隙漸變層、InP電荷層與InP頂層的結(jié)構(gòu)。
APD探測器的最大缺點是暗電流相對于信號增益較大，所以設(shè)計APD讀出電路的關(guān)鍵是放大輸出弱電流信號，限制噪聲信號，提高信噪比。選擇CTIA作為讀出單元，CTIA是采用運算放大器作為積分器的運放積分模式，比較其他的讀出電路，優(yōu)點是噪聲低、線性好、動態(tài)范圍大。
1 工作時序和讀出電路結(jié)構(gòu)
作為大陣列面陣的基礎(chǔ)，首先研制了一個2×8讀出電路，圖1給出了該電路的工作時序，其中Rl、R2為行選通信號；Vr為復(fù)位信號；SHl、SH2是雙采樣信號；C1、C2、…、C8為列讀出信號。電路采用行共用的工作方式，R1選通(高電平)時，第一行進(jìn)行積分，SH1為高電平時，電路進(jìn)行積分前采樣，SH2為高電平時，進(jìn)行積分結(jié)束前的采樣，C1、C2、…、C8依次為高電平，將行上的每個像元上信號輸出；然后R2為高電平，重復(fù)上面的步驟，進(jìn)行第二行的積分和讀出。
圖2是2×8讀出電路的結(jié)構(gòu)框圖，芯片主要由行列移位寄存器、CTIA和CDS單元組成，圖中用虛線框表示：移位寄存器單元完成行列的選通，CTIA功能塊將探測器電流信號按行進(jìn)行積分，CDS功能塊能抑制電路的噪聲，如KTC(復(fù)位噪聲)、FPN(固定圖形噪聲)等；FPGA主要產(chǎn)生復(fù)位信號(Vr)和采樣信號(SH1、SH2)，觸發(fā)電路的復(fù)位和采樣動作，C8為該組信號的觸發(fā)信號，解決和芯片內(nèi)行列選通信號同步問題。
為了便于和讀出電路的連接仿真，首先根據(jù)器件特性建立了器件的電路模型，如圖3(a)中的虛線框所示，其中Idet、Rdet、Cdet分別表示器件的光電流、阻抗、寄生電容。圖3(a)還給出了CTIA讀出單元電路結(jié)構(gòu)，主要由一個復(fù)位開關(guān)KR和積分電容Cint以及低噪聲運放A構(gòu)成。在CTIA結(jié)構(gòu)中，設(shè)計一個高增益、低噪聲、輸入失調(diào)小、壓擺率大的運放是確保讀出電路信噪比高、動態(tài)范圍大的關(guān)鍵。除此之外，積分電容Cint的設(shè)計也非常重要，在設(shè)計過程中發(fā)現(xiàn)，選擇合適的積分電容也是關(guān)鍵之一。圖3(b)是CDS單元，由采樣管Ml、M2、采樣保持電容C1、C2及M3~M6構(gòu)成的差分器組成，Vin為CDS輸入電位，也即CTIA的輸出電位。Voou1和Vout2為兩次采樣輸出，經(jīng)過減法器后可以進(jìn)行噪聲抑制。
2 積分電容Cint
積分電容的設(shè)計主要和探測器信號電流的大小有關(guān)。圖4是In0.53Ga0.47As／InP APD特性，仿真結(jié)果顯示器件的工作電流一般在300 nA左右。
圖5為器件電流取300 nA時積分電容分別為2、4、6和15 pF時的輸出電壓Vout的仿真結(jié)果。仿真參數(shù)設(shè)計：在器件厚度為20 μm的情況下，根據(jù)器件仿真結(jié)果進(jìn)行計算，器件阻抗為2×109Ω，器件寄生電容為80 pF。參考電壓Vb取2．0V，積分時間為60μs?？梢钥吹綄?yīng)不同的積分電容，積分電壓到達(dá)飽和的時間是不一樣的，也就是選擇不同的積分電容，最佳積分時間是不一樣的。如選用4 pF的積分電容，積分時間最好控制在40μs以下。
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