一种可同时测定光源波长及光强的CMOS集成电路的制作方法

本实用新型涉及的一种可同时测定光源波长及光强的cmos集成电路。

背景技术：

掩埋cmos双pn结光电二极管，由两个垂直堆叠的不同深度的二极管构成。不同深度的pn结二极管的光电流产生与入射光的波长有关，且垂直堆叠的不同深度的两个二极管的光电流比值与入射光波长呈线性关系，可用于对光源波长的测定。另外pn结二极管的光电流大小可用来测定光源的光强，采用掩埋cmos双pn结光电二极管并联输出结构，可以提高光强测定的灵敏度。

采用标准cmos工艺可将掩埋cmos双pn结光电二极管传感单元与信号处理电路集成，信号处理电路可对pn结光电二极管产生的电流进行放大提取、差分、求和、电流比值转换成电压输出、电流转换成电压输出。

现有的基于掩埋双pn结光电二极管的集成电路可实现对光波长或光照强度的单一参数测量，后续信号处理电路比较简单，无法满足对同一光源多参数测量的要求。

技术实现要素：

本实用新型要克服现有技术的上述缺点，提供一种可同时测定光源波长及光强的cmos集成电路。

本实用新型利用垂直堆叠的不同结深pn结光电二极管的光电流与光波长及光强的依赖关系，通过对不同结深pn结光电二极管电流求比值和求和的两种处理方法，可同时测定光源的波长及光强，实现了对未知光源的多参数单片检测。

本实用新型阐述的一种可同时测定光源波长及光强的cmos集成电路，由掩埋双pn结光电二极管传感单元1、单结光电流提取放大电路2、双结光电流提取放大电路3、单结光电流差分放大电路4、高灵敏电流电压转换电路5、第一单结光电流对数电压转换电路6、第二单结光电流对数电压转换电路7、电压差分电路8，共8个模块组成。

所述掩埋双pn结光电二极管传感单元1第一输出端1b1与单结光电流提取放大电路2输入端2a相连，第二输出端1b2与双结光电流提取放大电路3输入端3a相连；

掩埋双pn结光电二极管传感单元1由由浅pn结光电二极管d1和深pn结光电二极管d2组成，所述光电二极管d1与所述光电二极管d2共阴极连接，并引出第二输出端1b2，所述光电二极管d2阳极接地，所述光电二极管d1阳极引出第一输出端1b1；

所述单结光电流提取放大电路2输入端2a与掩埋双pn结光电二极管传感单元1第一输出端1b1相连，第一输出端2b1与单结光电流差分放大电路4输入端4a相连，第二输出端2b2与第一单结光电流对数电压转换电路6输入端6a相连；

单结光电流提取放大电路2由nmos管n1、n2、n3、n4、n5、n6、n7和pmos管p1、p2组成；所述pmos管p1源极接电源vdd，漏极接所述nmos管n1漏极，所述nmos管n1栅漏短接，源极接地，所述pmos管p2源极接所述pmos管p1栅极，并作为输入端2a，栅极接所述pmos管p1漏极，所述nmos管n4、n5、n7源极短接并接地，所述nmos管n4栅漏短接，并与所述nmos管n5、n7的栅极相连，所述nmos管n2栅漏短接，并与所述nmos管n3、n6的栅极相连，所述nmos管n2漏极与所述pmos管p2漏极相连，源极与所述nmos管n4栅极相连，所述nmos管n3漏极作为第一输出端2b1，源极与所述nmos管n5漏极相连，所述nmos管n6漏极作为第二输出端2b2，源极与所述nmos管n7漏极相连；

所述双结光电流提取放大电路3输入端3a与掩埋双pn结光电二极管传感单元1第二输出端1b2相连，第一输出端3b1与单结光电流差分放大电路4输入端4a相连，第二输出端3b2与高灵敏电流电压转换电路5输入端5a相连；

双结光电流提取放大电路3由nmos管n8、n9和pmos管p3、p4、p5、p6、p7、p8、p9组成；所述pmos管p3、p4、p5、p8源极短接并接电源vdd，所述pmos管p3栅漏短接，所述nmos管n8栅漏短接，并与所述pmos管p3的漏极和所述nmos管n9的栅极相连，所述nmos管n8的源极接地，所述nmos管n9源极接输入端3a，所述pmos管p4栅漏短接，并与所述pmos管p5、p8的栅极相连，所述pmos管p6的栅漏短接，并与所述pmos管p7、p9的栅极相连，所述pmos管p4的漏极与所述pmos管p6的源极相连，所述pmos管p5的漏极与所述pmos管p7的源极相连，所述pmos管p8的漏极与所述pmos管p9的源极相连，所述pmos管p6的漏极与所述nmos管n9的漏极相连，所述pmos管p7的漏接接第一输出端3b1，所述pmos管p9的漏极接第二输出端3b2；

所述单结光电流差分放大电路4输入端4a与单结光电流提取放大电路2第一输出端2b1、双结光电流提取放大电路3第一输出端3b1短接相连，输出端4b与第二单结光电流对数电压转换电路7输入端7a相连；

单结光电流差分放大电路4由nmos管n10、n11、n12、n13、n14、n15与pmos管p10、p11组成；所述nmos管n12、n13、n15源极短接并接地，所述nmos管n12栅漏短接，并与所述nmos管n13、n15的栅极相连，所述nmos管n10的栅漏短接，作为输入端4a，并与所述nmos管n11、n14的栅极相连，所述nmos管n10的源极与所述nmos管n12的漏极相连，所述nmos管n11的源极与所述nmos管n13的漏极相连，所述nmos管n14的源极与所述nmos管n15的漏极相连，所述pmos管p10栅漏短接，并与所述pmos管p11的源极相连，所述pmos管p10的源极接电源vdd，所述pmos管p11栅漏短接并与所述nmos管n11漏极相连，所述nmos管n14的漏极作为输出端4b；

所述高灵敏电流电压转换电路5输入端5a与双结光电流提取放大电路3的第二输出端3b2相连，输入端reset为外接复位信号，输出端5b为vg输出；

高灵敏电流电压转换电路5由nmos管n16、n17、n18、n19和pmos管p12、p13、p14、p15及电容c1组成；所述nmos管n19、n20源极短接并接地，所述pmos管p12、p13源极短接并接电源vdd，所述pmos管p13栅漏短接，并与所述pmos管p12的栅极和所述pmos管p15的源极相连，所述pmos管p15栅漏短接，并与所述pmos管p14的栅极和所述nmos管n18的栅漏相连，所述pmos管p12的漏极与所述pmos管p14的源极相连，所述pmos管p14的漏极与所述nmos管n17的漏极相连，所述nmos管n17、n18的栅极相连，所述nmos管n17的源极与所述nmos管n19的漏极相连，所述nmos管n20的栅漏短接，并与所述nmos管n18的源极相连，所述电容c1的一端与所述nmos管n19的栅极相连，另一端与所述nmos管n17的漏极相连，并作为输出端5b，所述nmos管n16并联在所述电容c1两端，其源极与漏极分别与所述电容c1的两端相连，所述nmos管n16的栅极接输入端reset，所述nmos管n19的栅极作为输入端5a；

第一单结光电流对数电压转换电路6的输入端6a与单结光电流提取放大电路2的第二输出端2b2相连，输出端6b与电压差分电路8的第一输入端8a1相连；

第一单结光电流对数电压转换电路6由nmos管n21、n22、n23和pmos管p16、p17、p18组成；所述nmos管n22、n23的源极短接并接地，所述nmos管n22的栅极和所述nmos管n21的源极相连，并作为输入端6a，所述nmos管n21的漏极与所述pmos管p16、p17的源极短接并接电源vdd，所述nmos管n21的栅极与所述pmos管p16的漏极和所述nmos管n22的漏极相连，并作为输出端6b，所述pmos管p17栅漏短接，并与所述pmos管p18的源极相连，所述pmos管p18栅漏短接并与栅漏短接的nmos管n23的栅极相连，所述pmos管p16的栅极与所述nmos管n23的栅极相连；

第二单结光电流对数电压转换电路7的输入端7a与单结光电流差分放大电路4的输出端4b相连，输出端7b与电压差分电路8的第二输入端8a2相连；

第二单结光电流对数电压转换电路7由nmos管n24、n25、n26和pmos管p19、p20、p21组成；所述nmos管n25、n26的源极短接并接地，所述nmos管n25的栅极和所述nmos管n24的源极相连，并作为输入端7a，所述nmos管n24的漏极与所述pmos管p19、p20的源极短接并接电源vdd，所述nmos管n24的栅极与所述pmos管p19的漏极和所述nmos管n25的漏极相连，并作为输出端7b，所述pmos管p20栅漏短接，并与所述pmos管p21的源极相连，所述pmos管p21栅漏短接并与栅漏短接的nmos管n26的栅极相连，所述pmos管p19的栅极与所述nmos管n26的栅极相连；

所述电压差分电路8的第一输入端8a1与第一单结光电流对数电压转换电路6的输出端6b相连，第二输入端8a2与第二单结光电流对数电压转换电路7的输出端7b相连，输出端8b为vb输出；

电压差分电路8由nmos管n27、n28、n29、n30和pmos管p22、p23、p24组成；所述pmos管p22、p23、p24源极短接并接电源vdd，所述pmos管p23栅漏短接并与所述pmos管p22栅极相连，所述pmos管p22漏极与所述nmos管n27漏极相连，并作为输出端8b，所述nmos管n27栅极作为第一输入端8a1，所述nmos管n27、n28源极相连，并与所述nmos管n29的漏极相连，所述nmos管n28的漏极与所述pmos管p23的漏极相连，所述nmos管n28的栅极作为第二输入端8a2，所述nmos管n29、n30的源极相连并接地，所述nmos管n29、n30的栅极相连，所述nmos管n30的栅漏短接，所述pmos管p24的栅漏短接，并与所述nmos管n30的栅极相连；

本实用新型的优点是：本实用新型提出的一种可同时测定光源波长及光强的cmos集成电路，与掩埋cmos双pn结光电二极管单片集成，电路通过对垂直堆叠的不同结深pn结光电二极管电流求比值和求和的两种处理方法，可同时测定光源的波长及光强，实现了对未知光源的多参数单片检测。

附图说明

图1是本实用新型结构的单元框图

图2是本实用新型设计的原理图

图3是图2的s1部的局部放大图

图4是图2的s2部的局部放大图

图5是图2的s3部的局部放大图

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本实用新型。

本实用新型阐述的一种可同时测定光源波长及光强的cmos集成电路，由掩埋双pn结光电二极管传感单元1、单结光电流提取放大电路2、双结光电流提取放大电路3、单结光电流差分放大电路4、高灵敏电流电压转换电路5、第一单结光电流对数电压转换电路6、第二单结光电流对数电压转换电路7、电压差分电路8，共8个模块组成。

所述掩埋双pn结光电二极管传感单元1，由两个基于cmos工艺的垂直堆叠深度不同的pn光电二极管构成，利用二极管光电效应把光信号转换成电流信号，其中d1代表浅结光电二极管，d2代表深结光电二极管，第一输出端1b1输出所述d1的光电流i1，第二输出端1b2输出所述d1和d2的光电流之和i1+i2；

所述单结光电流提取放大电路2将所述光电流i1进行了提取和放大，便于后续电路进行进一步处理，电路采用共源共栅的电流镜结构提高了提取和放大的精度，共源共栅电流镜结构由所述nmos管n2、n3、n4、n5、n6、n7组成，通过调整所述nmos管n3、n5与n6、n7的宽长比，可将光电流i1通过第一、二输出端2b1和2b2放大一倍或放大k倍输出，所述pmos管p1和所述nmos管n1给所述pmos管p2提供合适的偏置电压，让所述pmos管p2工作在饱和区；

所述双结光电流提取放大电路3将所述光电二极管d1和d2产生的光电流之和i1+i2进行了提取和放大，便于后续电路进行进一步处理，电路采用共源共栅的电流镜结构提高了提取和放大的精度，共源共栅电流镜结构由所述pmos管p4、p5、p6、p7、p8、p9组成，通过调整所述pmos管p5、p7与p8、p9的宽长比，可将光电流i1+i2通过第一、二输出端3b1和3b2放大一倍或放大k倍输出，所述nmos管n8和所述pmos管p3给所述nmos管n9提供合适的偏置电压，让所述nmos管n9工作在饱和区；

所述单结光电流差分放大电路4将所述光电流i1+i2和光电流i1进行了作差处理，得到了单结光电流i2，并进行了k被放大，输出电流ki2，在所述nmos管n10的输入节点处，所述光电流i1+i2方向为流入节点，所述光电流i1方向为流出节点，作差后可得到流出节点的单结光电流i2，电流差分电路同样采用了共源共栅电流镜结构，电流的k倍放大通过调整所述nmos管n14、n15的宽长比实现，

所述高灵敏电流电压转换电路5灵敏度高，抗干扰性强，输入端5a进入的光电流通过对所述电容c1积分后转换成电压输出，reset脉冲控制信号可对电路工作模式进行控制，当reset为高电平时，电路复位输出，当reset为低电平时，光电流转换成电压输出，其中，所述pmos管p12、p14和所述nmos管n17、n19构成的共源共栅放大电路作为高灵敏电流电压转换电路5中的运放，提供高增益，所述pmos管p13、p15和所述nmos管n18、n20为共源共栅放大电路提供偏置，所述高灵敏电流电压转换电路5通过运放反馈环路为光电二极管提供很低的反偏电压来降低暗电流，同时在积分阶段光电二极管寄生电容上的电压保持不变，保证了在输出端5b输出的积分电压具有更好的线性度，高灵敏电流电压转换电路5实现了对未知光源的光强测量，选择对双结光电二极管光电流i1+i2进行电流电压转换输出提高了测定的灵敏度，输出端5b为总电路光强测定输出端vg；

所述第一单结光电流对数电压转换电路6将光电流ki1转换成对数电压，由于光源的波长是与所述光电二极管d1与d2的光电流比值呈线性关系，本实用新型在设计后续处理电路时先将单结光电流转换成对数电压，光电流到对数电压的转换是通过将所述nmos管n21偏置在亚阈值工作区域实现的，所述pmos管p17、p18和所述nmos管n23为所述pmos管p16的栅极提供偏置电压，所述pmos管p16和所述nmos管n22为所述nmos管n21提供电压偏置；

所述第二单结光电流对数电压转换电路7与第一单结光电流对数电压转换电路6的工作原理相同，将光电流ki2转换成对数电压；

所述电压差分电路8将第一单结光电流对数电压转换电路6和第二单结光电流对数电压转换电路7中的输出对数电压进行作差处理后得到的输出端电压8b与所述光电流比值i1/i2呈线性关系，又由于所述双pn结光电二极管光电流比值i1/i2与被测入射光波长呈线性关系，则电路输出电压8b为与波长线性关系的电压输出vb；

本说明书实施例所述的内容仅仅是对实用新型构思的实现形式的列举，本实用新型的保护范围不应该视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本实用新型的保护范围也及于本领域技术人员根据本实用新型构思所能想到的等同技术手段。