基于低噪声InGaAs/InPAPD的读出电路图参考设计

在红外通信的1310～1550nm波段，高灵敏度探测材料主要有Ge—APD和InGaAs／InPAPD，两者相比较，InGaAs／InPAPD具有更高的量子效率和更低的暗电流噪声。In0.53Ga0.47As／InPAPD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。

为了便于和读出电路的连接仿真，首先根据器件特性建立了器件的电路模型，如图3(a)中的虚线框所示，其中Idet、Rdet、Cdet分别表示器件的光电流、阻抗、寄生电容。图3(a)还给出了CTIA读出单元电路结构，主要由一个复位开关KR和积分电容Cint以及低噪声运放A构成。在CTIA结构中，设计一个高增益、低噪声、输入失调小、压摆率大的运放是确保读出电路信噪比高、动态范围大的关键。除此之外，积分电容Cint的设计也非常重要，在设计过程中发现，选择合适的积分电容也是关键之一。图3(b)是CDS单元，由采样管Ml、M2、采样保持电容C1、C2及M3~M6构成的差分器组成，Vin为CDS输入电位，也即CTIA的输出电位。Voou1和Vout2为两次采样输出，经过减法器后可以进行噪声抑制。

2、积分电容Cint

积分电容的设计主要和探测器信号电流的大小有关。图4是In0.53Ga0.47As／InPAPD特性，仿真结果显示器件的工作电流一般在300nA左右。