2×8低噪聲InGaAs／InP APD讀出電路設(shè)計

積分電容還決定電荷容量。電荷容量為

式中：Qm為電荷容量；Vref為參考電壓，一般為1．5~3 V。式(1)表示增大積分電容Cint可以提高電荷容量。
在CTIA電路結(jié)構(gòu)中，KTC噪聲是最主要噪聲，而KTC噪聲也和積分電容有關(guān)。KTC復(fù)位噪聲電壓可以表示為

式中：VN為積分電容上復(fù)位引起的KTC噪聲電壓；K為波爾茲曼常數(shù)，其值為1．38×10-23J／K；T是絕對溫度，取77 K。將此噪聲電壓折合成輸入端噪聲電子數(shù)，則表示為

式中：Nin為積分電容KTC復(fù)位噪聲折合到輸入端的噪聲電子數(shù)；q為電荷常數(shù)，其值為1．60×10-19C；G為輸出級增益。
圖6表示了該噪聲電子數(shù)和溫度、積分電容Cint之間的關(guān)系。從圖6可以看到，Nin隨溫度降低而減少，同時隨Cint的增大而增多。所以在設(shè)計Cint時，必須兼顧探測器電流、積分時間、電荷容量Qm和KTC噪聲折合到輸入端電子數(shù)Nin，并且結(jié)合電路工作溫度設(shè)計一個合適的值。在讀出電路中，電容的工作溫度為77 K，Cint設(shè)計為4 pF時，參考電壓取2 V，電荷容量為8×10-12J。電路的輸出級增益為O．65，KTC復(fù)位噪聲折合到輸入端的噪聲電子數(shù)為768個，小于實際探測器的噪聲電子數(shù)，而電荷容量也足夠大，滿足探測器讀出的需要。在CTIA結(jié)構(gòu)中，設(shè)計一個高增益低噪聲的運算放大器。根據(jù)具體的應(yīng)用合適設(shè)計。而開關(guān)管KR采用四管合抱管結(jié)構(gòu)，減小導(dǎo)通電阻對電路的影響。圖7為讀出電路芯片的照片。

3 結(jié)論
電路采用O．6μm CMOS工藝流片，采用40腳的管殼進行封裝，其中有效引腳為32個。用電注入法(恒流源模擬器件)測試了芯片的性能，電流信號為100～600 nA。功率耗散小于200μW。當(dāng)積分電容為4 pF的時候，積分時間為36μs。時鐘頻率為0．5MHz的時候，一幀像元積分和讀出的總時間為108μs。電路的電荷存儲能力為5×107個，動態(tài)范圍為l V左右，輸出噪聲為5．2×10-5Vrms。測試結(jié)果顯示電路符合預(yù)期的設(shè)計要求。