一种基于锁定放大结构的硅波导电导检测电路的制作方法

本发明涉及一种硅波导电导检测电路，尤其是涉及一种基于锁定放大结构的硅波导电导检测电路。

背景技术：

光学器件波导电导的变化随着入射光功率的变化而改变，利用波导电导的变化实现光功率监测。无接触集成光子探头(contactlessintegratedphotonicprobe,clipp)检测技术利用硅波导自身作为光功率监视器，达到无创光功率检测的目的。

现有的基于无接触光子探头检测技术实现的硅波导电导检测电路是采用传统的锁相放大结构来实现的。该硅波导电导检测电路中，表示硅波导电导变化信息的电流信号通过跨阻放大器放大转换为电压信号，该电压信号再与外部调制信号相乘，完成频谱迁移，最后通过低通滤波器滤除噪声，得到放大的表示电导变化信息的电压信号。但是现有的硅波导电导检测电路采用传统的基于频率为0hz的锁定放大器结构来实现，该结构中用于提取目标信号的低通滤波器在频率为0hz处提取目标电压信号，由于低频闪烁噪声的影响较大，以至得到的表示电导变化信息的电压信号精度不高，因此，硅波导电导分辨率不高。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种可以避免低频闪烁噪声的影响，分辨率较高的基于锁定放大结构的硅波导电导检测电路。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种基于锁定放大结构的硅波导电导检测电路，包括相敏检测器和带通滤波器，所述的相敏检测器具有输入端、时钟端、反相时钟端、用于接入第一偏置电压的第一偏置端、用于接入第二偏置电压的第二偏置端、用于接入第三偏置电压的第三偏置端、用于接入第四偏置电压的第四偏置端和输出端，所述的带通滤波器具有输入端和输出端，所述的相敏检测器的输出端和所述的带通滤波器的输入端连接，所述的相敏检测器包括第一开关、第二开关和跨阻放大器，所述的第一开关和所述的第二开关分别具有输入端、输出端、时钟端和反相时钟端，所述的第一开关的时钟端和所述的第二开关的反相时钟端连接且其连接端为所述的相敏检测器的时钟端，用于接入时钟信号，所述的第一开关的反相时钟端和所述的第二开关的时钟端连接且其连接端为所述的相敏检测器的反相时钟端，用于接入反相时钟信号，所述的跨阻放大器包括第一电阻、第二电阻、第一电容和运算放大器，所述的运算放大器具有正输入端、负输入端、第一偏置端、第二偏置端、第三偏置端、第四偏置端和输出端，所述的第一电阻的一端和所述的运算放大器的正输入端连接且其连接端为所述的跨阻放大器的正输入端，所述的第一电阻的另一端接地，所述的第二电阻的一端和所述的运算放大器的负输入端连接且其连接端为所述的跨阻放大器的负输入端，所述的第二电阻的另一端、所述的第一电容的一端和所述的运算放大器的输出端连接且其连接端为所述的跨阻放大器的输出端，所述的第一电容的另一端接地，所述的运算放大器的第一偏置端为所述的跨阻放大器的第一偏置端，所述的运算放大器的第二偏置端为所述的跨阻放大器的第二偏置端，所述的运算放大器的第三偏置端为所述的跨阻放大器的第三偏置端，所述的运算放大器的第四偏置端为所述的跨阻放大器的第四偏置端，所述的第一开关的输入端和所述的第二开关的输入端连接且其连接端为所述的相敏检测器的输入端，所述的第一开关的输出端和所述的跨阻放大器的正输入端连接，所述的第二开关的输出端和所述的跨阻放大器的负输入端连接，所述的跨阻放大器的输出端为所述的相敏检测器的输出端，所述的跨阻放大器的第一偏置端为所述的相敏检测器的第一偏置端，所述的跨阻放大器的第二偏置端为所述的相敏检测器的第二偏置端，所述的跨阻放大器的第三偏置端为所述的相敏检测器的第三偏置端，所述的跨阻放大器的第四偏置端为所述的相敏检测器的第四偏置端。

所述的运算放大器包括第一mos管、第二mos管、第三mos管、第四mos管、第五mos管、第六mos管、第七mos管、第八mos管、第九mos管、第十mos管、第十一mos管、第十二mos管、第十三mos管、第十四mos管、第十五mos管和第二电容，所述的第一mos管、所述的第二mos管、所述的第七mos管、所述的第八mos管、所述的第九mos管、所述的第十mos管、所述的第十四mos管和所述的第十五mos管分别为p型mos管，所述的第三mos管、所述的第四mos管、所述的第五mos管、所述的第六mos管、所述的第十一mos管、所述的第十二mos管和所述的第十三mos管分别为n型mos管；所述的第一mos管的栅极为所述的运算放大器的负输入端，所述的第一mos管的源极、所述的第二mos管的源极和所述的第十五mos管的漏极连接，所述的第一mos管的漏极、所述的第三mos管的漏极和所述的第五mos管的源极连接，所述的第二mos管的栅极为所述的运算放大器的正输入端，所述的第二mos管的漏极、所述的第四mos管的漏极和所述的第六mos管的源极连接，所述的第三mos管的源极、所述的第四mos管的源极、所述的第十一mos管的源极、所述的第十二mos管的源极和所述的第十三mos管的源极均接地，所述的第三mos管的栅极和所述的第四mos管的栅极连接且其连接端为所述的运算放大器的第一偏置端，所述的第五mos管的栅极和所述的第六mos管的栅极连接且其连接端为所述的运算放大器的第二偏置端，所述的第五mos管的漏极、所述的第七mos管的漏极、所述的第七mos管的栅极和所述的第八mos管的栅极连接，所述的第六mos管的漏极、所述的第八mos管的漏极、所述的第九mos管的栅极、所述的第十四mos管的栅极和所述的第二电容的一端连接，所述的第七mos管的源极、所述的第八mos管的源极、所述的第九mos管的源极、所述的第十mos管的源极、所述的第十四mos管的源极和所述的第十五mos管的源极均接电源，所述的第九mos管的漏极、所述的第十一mos管的漏极、所述的第十一mos管的栅极和所述的第十二mos管的栅极连接，所述的第十mos管的栅极为所述的运算放大器的第三偏置端，所述的第十mos管的漏极、所述的第十二mos管的漏极和所述的第十三mos管的栅极连接，所述的第十三mos管的漏极、所述的第十四mos管的漏极和所述的第二电容的另一端连接，所述的第十五mos管的栅极为所述的运算放大器的第四偏置端。该电路中，运算放大器采用三级折叠式共源共栅结构，第十三mos管和第十四mos管构成的输出级采用推挽结构，第十四mos管同时作为前馈跨导级，用于提高增益带宽积，第二电容作为密勒补偿电容，第十四mos管和第二电容共同作用产生一个左半平面零点，保证整个运算放大器的稳定性。

所述的第一开关包括第十六mos管和第十七mos管，所述的第十六mos管为n型mos管，所述的第十七mos管为p型mos管，所述的第十六mos管的漏极和所述的第十七mos管的漏极连接且其连接端为所述的第一开关的输入端，所述的第十六mos管的源极和所述的第十七mos管的源极连接且其连接端为所述的第一开关的输出端，所述的第十六mos管的栅极为所述的第一开关的时钟端，所述的第十七mos管的栅极为所述的第一开关的反相时钟端，所述的第二开关的电路结构与所述的第一开关的电路结构相同。该电路中，第一开关管和第二开关管均采用mos对管的形式，可以减少沟道电荷注入，提高检测精度。

所述的带通滤波器包括三个结构相同的带通滤波单元、第三电容和第四电容，每个所述的带通滤波单元分别具有正输入端、负输入端和输出端，将三个所述的带通滤波单元分别称为第一带通滤波单元、第二带通滤波单元和第三带通滤波单元，所述的第一带通滤波单元的正输入端接地，所述的第一带通滤波单元的负输入端、所述的第二带通滤波单元的输出端、所述的第三带通滤波单元的负输入端、所述的第四电容的一端和所述的第三带通滤波单元的输出端连接且其连接端为所述的带通滤波器的输出端，所述的第四电容的另一端接地，所述的第一带通滤波单元的输出端、所述的第二带通滤波单元的正输入端和所述的第三电容的一端连接，所述的第三电容的另一端接地，所述的第二带通滤波单元的负输入端接地，所述的第三带通滤波单元的正输入端为所述的带通滤波器的输入端。该电路中，带通滤波单元结构等同于采用跨导放大器，通过两个电容和三个跨导放大器结构实现带通滤波器，容易获得高的中心频率，且同时容易片上集成。

每个所述的带通滤波单元分别包括第十八mos管、第十九mos管、第二十mos管、第二十一mos管、第二十二mos管、第二十三mos管、第二十四mos管、第二十五mos管、第二十六mos管、第二十七mos管和直流源，所述的第十八mos管、所述的第十九mos管、所述的第二十四mos管、所述的第二十五mos管、所述的第二十六mos管和所述的第二十七mos管均为n型mos管，所述的第二十mos管、所述的第二十一mos管、所述的第二十二mos管和所述的第二十三mos管均为p型mos管；所述的第十八mos管的栅极为所述的带通滤波单元的负输入端，所述的第十八mos管的源极、所述的第十九mos管的源极和所述的第二十六mos管的漏极连接，所述的第十八mos管的漏极、所述的第二十mos管的漏极、所述的第二十mos管的栅极和所述的第二十二mos管的栅极连接，所述的第十九mos管的栅极为所述的带通滤波单元的负输入端，所述的第十九mos管的漏极、所述的第二十一mos管的漏极、所述的第二十一mos管的栅极和所述的第二十三mos管的栅极连接，所述的第二十mos管的源极、所述的第二十一mos管的源极、所述的第二十二mos管的源极和所述的第二十三mos管的源极均接入电源，所述的第二十二mos管的漏极、所述的第二十四mos管的漏极、所述的第二十四mos管的栅极和所述的第二十五mos管的栅极连接，所述的第二十三mos管的漏极和所述的第二十五mos管的漏极连接，所述的第二十四mos管的源极、所述的第二十六mos管的源极、所述的第二十七mos管的源极和所述的第二十五mos管的源极均接入电源，所述的第二十六mos管的栅极、所述的第二十七mos管的栅极、所述的第二十七mos管的漏极和所述的直流源连接。该电路中，带通滤波单元分别由第十八mos管、第十九mos管、第二十mos管、第二十一mos管、第二十二mos管、第二十三mos管、第二十四mos管、第二十五mos管、第二十六mos管、第二十七mos管和直流源构成的跨导放大器实现，通过输入参考直流源iref控制跨导放大器尾电流大小，由此改变跨导放大器的跨导值，易于调节带通滤波器的中心频率和品质因数。

与现有技术相比，本发明的优点在于通过相敏检测器和带通滤波器构成硅波导电导检测电路，相敏检测器包括第一开关、第二开关和跨阻放大器，跨阻放大器包括第一电阻、第二电阻、第一电容和运算放大器，第二电阻为反馈电阻，第一电阻用于将运算放大器的正输入端的交流电流信号转换成电压信号，第一电容为输出端负载电容。相敏检测器和带通滤波器分别对表示硅波导电导变化的电流信号进行频率迁移和滤波处理，当输入从相敏检测器的输入端输入的表示硅波导变化的电流信号为一个周期的正半周期时，第一开关打开，第二开关断开，该周期内电流信号的正半周期通过，然后经跨阻放大器正相放大转化为电压信号，且波形保持不变；当电流信号为一个周期的负半周期时，第二开关打开，第一开关断开，该周期内电流信号的负半周期通过，然后经跨阻放大器反相放大转化为电压信号，此时波形相位发生180°翻转，上述过程周期性的进行，完成对输入的电流信号的相敏检测和放大过程，最后通过带通滤波器滤除噪声，在高频处提取出表示硅波导电导变化的电压信号，由此可使目标电压信号远离低频闪烁噪声的影响，从而提高了硅波导电导的分辨率。

附图说明

图1为本发明的基于锁定放大结构的硅波导电导检测电路的结构原理框图；

图2为本发明的基于锁定放大结构的硅波导电导检测电路的跨阻放大器的电路图；

图3为本发明的基于锁定放大结构的硅波导电导检测电路的运算放大器的电路图；

图4为本发明的基于锁定放大结构的硅波导电导检测电路的第一开关的电路图；

图5为本发明的基于锁定放大结构的硅波导电导检测电路的带通滤波器的电路图；

图6为本发明的基于锁定放大结构的硅波导电导检测电路的带通滤波单元的电路图；

图7为本发明的基于锁定放大结构的硅波导电导检测电路的跨阻放大器开环幅频响应和相频响应特性图；

图8为本发明的基于锁定放大结构的硅波导电导检测电路的跨阻放大器等效输入参考噪声功率谱密度；

图9为本发明的基于锁定放大结构的硅波导电导检测电路的时钟信号的波形图；

图10为本发明的基于锁定放大结构的硅波导电导检测电路的反相时钟信号的波形图；

图11为本发明的基于锁定放大结构的硅波导电导检测电路所检测的硅波导的等效电路图；

图12(a)为输入本发明的基于锁定放大结构的硅波导检测电路的电流ii的波形；

图12(b)为本发明的基于锁定放大结构的硅波导检测电路中带通滤波器输出电压vop和检测电路输出电压vout的波形；

图13为考虑本发明的基于锁定放大结构的硅波导检测电路的自噪声时，检测电路输出电压vout进行dft分析图；

图14为本发明的基于锁定放大结构的硅波导电导检测电路的输出电压变化△v随硅波导电导变化△g(步进为0.8ps)关系图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例一：如图1、图2、图9和图10所示，一种基于锁定放大结构的硅波导电导检测电路，包括相敏检测器和带通滤波器，相敏检测器具有输入端、时钟端、反相时钟端、用于接入第一偏置电压的第一偏置端、用于接入第二偏置电压的第二偏置端、用于接入第三偏置电压的第三偏置端、用于接入第四偏置电压的第四偏置端和输出端，带通滤波器具有输入端和输出端，相敏检测器的输出端和带通滤波器的输入端连接，相敏检测器包括第一开关、第二开关和跨阻放大器，第一开关和第二开关分别具有输入端、输出端、时钟端和反相时钟端，第一开关的时钟端和第二开关的反相时钟端连接且其连接端为相敏检测器的时钟端，用于接入时钟信号ck，第一开关的反相时钟端和第二开关的时钟端连接且其连接端为相敏检测器的反相时钟端，用于接入反相时钟信号跨阻放大器包括第一电阻r1、第二电阻r2、第一电容c1和运算放大器，运算放大器具有正输入端、负输入端、第一偏置端、第二偏置端、第三偏置端、第四偏置端和输出端，第一电阻r1的一端和运算放大器的正输入端连接且其连接端为跨阻放大器的正输入端，第一电阻r1的另一端接地，第二电阻r2的一端和运算放大器的负输入端连接且其连接端为跨阻放大器的负输入端，第二电阻r2的另一端、第一电容c1的一端和运算放大器的输出端连接且其连接端为跨阻放大器的输出端，第一电容c1的另一端接地，运算放大器的第一偏置端为跨阻放大器的第一偏置端，运算放大器的第二偏置端为跨阻放大器的第二偏置端，运算放大器的第三偏置端为跨阻放大器的第三偏置端，运算放大器的第四偏置端为跨阻放大器的第四偏置端，第一开关的输入端和第二开关的输入端连接且其连接端为相敏检测器的输入端，第一开关的输出端和跨阻放大器的正输入端连接，第二开关的输出端和跨阻放大器的负输入端连接，跨阻放大器的输出端为相敏检测器的输出端，跨阻放大器的第一偏置端为相敏检测器的第一偏置端，跨阻放大器的第二偏置端为相敏检测器的第二偏置端，跨阻放大器的第三偏置端为相敏检测器的第三偏置端，跨阻放大器的第四偏置端为相敏检测器的第四偏置端。

实施例二：本实施例与实施例一基本相同，区别在于：

如图3所示，本实施例中，运算放大器包括第一mos管m1、第二mos管m2、第三mos管m3、第四mos管m4、第五mos管m5、第六mos管m6、第七mos管m7、第八mos管m8、第九mos管m9、第十mos管m10、第十一mos管m11、第十二mos管m12、第十三mos管m13、第十四mos管m14、第十五mos管m15和第二电容c2，第一mos管m1、第二mos管m2、第七mos管m7、第八mos管m8、第九mos管m9、第十mos管m10、第十四mos管m14和第十五mos管m15分别为p型mos管，第三mos管m3、第四mos管m4、第五mos管m5、第六mos管m6、第十一mos管m11、第十二mos管m12和第十三mos管m13分别为n型mos管；第一mos管m1的栅极为运算放大器的负输入端，第一mos管m1的源极、第二mos管m2的源极和第十五mos管m15的漏极连接，第一mos管m1的漏极、第三mos管m3的漏极和第五mos管m5的源极连接，第二mos管m2的栅极为运算放大器的正输入端，第二mos管m2的漏极、第四mos管m4的漏极和第六mos管m6的源极连接，第三mos管m3的源极、第四mos管m4的源极、第十一mos管m11的源极、第十二mos管m12的源极和第十三mos管m13的源极均接地，第三mos管m3的栅极和第四mos管m4的栅极连接且其连接端为运算放大器的第一偏置端，第五mos管m5的栅极和第六mos管m6的栅极连接且其连接端为运算放大器的第二偏置端，第五mos管m5的漏极、第七mos管m7的漏极、第七mos管m7的栅极和第八mos管m8的栅极连接，第六mos管m6的漏极、第八mos管m8的漏极、第九mos管m9的栅极、第十四mos管m14的栅极和第二电容c2的一端连接，第七mos管m7的源极、第八mos管m8的源极、第九mos管m9的源极、第十mos管m10的源极、第十四mos管m14的源极和第十五mos管m15的源极均接电源vdd，第九mos管m9的漏极、第十一mos管m11的漏极、第十一mos管m11的栅极和第十二mos管m12的栅极连接，第十mos管m10的栅极为运算放大器的第三偏置端，第十mos管m10的漏极、第十二mos管m12的漏极和第十三mos管m13的栅极连接，第十三mos管m13的漏极、第十四mos管m14的漏极和第二电容c2的另一端连接，第十五mos管m15的栅极为运算放大器的第四偏置端。

如图4所示，本实施例中，第一开关包括第十六mos管m16和第十七mos管m17，第十六mos管m16为n型mos管，第十七mos管m17为p型mos管，第十六mos管m16的漏极和第十七mos管m17的漏极连接且其连接端为第一开关的输入端，第十六mos管m16的源极和第十七mos管m17的源极连接且其连接端为第一开关的输出端，第十六mos管m16的栅极为第一开关的时钟端，第十七mos管m17的栅极为第一开关的反相时钟端，第二开关的电路结构与第一开关的电路结构相同。

如图5所示，本实施例中，带通滤波器包括三个结构相同的带通滤波单元、第三电容c3和第四电容c4，每个带通滤波单元分别具有正输入端、负输入端和输出端，将三个带通滤波单元分别称为第一带通滤波单元、第二带通滤波单元和第三带通滤波单元，第一带通滤波单元的正输入端接地，第一带通滤波单元的负输入端、第二带通滤波单元的输出端、第三带通滤波单元的负输入端、第四电容c4的一端和第三带通滤波单元的输出端连接且其连接端为带通滤波器的输出端，第四电容c4的另一端接地，第一带通滤波单元的输出端、第二带通滤波单元的正输入端和第三电容c3的一端连接，第三电容c3的另一端接地，第二带通滤波单元的负输入端接地，第三带通滤波单元的正输入端为带通滤波器的输入端。

如图6所示，本实施例中，每个带通滤波单元分别包括第十八mos管m18、第十九mos管m19、第二十mos管m20、第二十一mos管m21、第二十二mos管m22、第二十三mos管m23、第二十四mos管m24、第二十五mos管m25、第二十六mos管m26、第二十七mos管m27和直流源iref，第十八mos管m18、第十九mos管m19、第二十四mos管m24、第二十五mos管m25、第二十六mos管m26和第二十七mos管m27均为n型mos管，第二十mos管m20、第二十一mos管m21、第二十二mos管m22和第二十三mos管m23均为p型mos管；第十八mos管m18的栅极为带通滤波单元的负输入端，第十八mos管m18的源极、第十九mos管m19的源极和第二十六mos管m26的漏极连接，第十八mos管m18的漏极、第二十mos管m20的漏极、第二十mos管m20的栅极和第二十二mos管m22的栅极连接，第十九mos管m19的栅极为带通滤波单元的负输入端，第十九mos管m19的漏极、第二十一mos管m21的漏极、第二十一mos管m21的栅极和第二十三mos管m23的栅极连接，第二十mos管m20的源极、第二十一mos管m21的源极、第二十二mos管m22的源极和第二十三mos管m23的源极均接入电源vdd，第二十二mos管m22的漏极、第二十四mos管m24的漏极、第二十四mos管m24的栅极和第二十五mos管m25的栅极连接，第二十三mos管m23的漏极和第二十五mos管m25的漏极连接，第二十四mos管m24的源极、第二十六mos管m26的源极、第二十七mos管m27的源极和第二十五mos管m25的源极均接入电源vdd，第二十六mos管m26的栅极、第二十七mos管m27的栅极、第二十七mos管m27的漏极和直流源iref连接。

本发明的基于锁定放大结构的硅波导电导检测电路的跨阻放大器开环幅频响应和相频响应特性如图7所示，分析图7可知：在负载电容c1＝3pf时，跨阻放大器的开环增益带宽积为200.8mhz，相位裕度为66.8°，同时跨阻放大器的增益裕度为3.2db，保证了跨阻放大器的稳定性。

本发明的基于锁定放大结构的硅波导电导检测电路的跨阻放大器等效输入参考噪声功率谱密度如图8所示，分析图8可知：跨阻放大器的输入参考噪声为13.8pa/带宽内rms(rootmeansquare,rms)噪声为14.2na。

采用本发明的硅波导电导检测电路对硅波导进行检测，其中，被检测的硅波导的等效电路图如图11所示，图11中vo为外部激励源，是频率为1mhz幅度为1v的正弦电压信号，c5为用于检测的两电极之间的耦合电容，c6和c7为两电极与硅波导表面覆盖的二氧化硅层之间的接触电容，gwg表示硅波导的电导。输入本发明的基于锁定放大结构的硅波导检测电路的电流ii的波形如图12(a)所示，带通滤波器输出电压vop和本发明的基于锁定放大结构的硅波导检测电路输出电压vout的波形如图12(b)所示。考虑本发明的基于锁定放大结构的硅波导检测电路的自噪声时，对本发明的基于锁定放大结构的硅波导检测电路输出电压vout进行dft分析，结果如图13所示，可以看出vout波形在2mhz处的谐波分量为26mv。本发明的基于锁定放大结构的硅波导电导检测电路的输出电压变化随硅波导电导变化关系如图14所示，其中波导变化的步长为0.8ps。分析图14可知：在考虑检测电路的自噪声时，δv随着δg的改变呈线性变化，接近不考虑检测电路的自噪声时的理想情况。在100mhz的工作带宽中，本发明的硅波导电导检测电路对硅波导电导进行检测的分辨率为0.8ps。