高灵敏度低功耗光电检测芯片与系统研究

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1、万方数据硕士学位论文高灵敏度低功耗光电检测芯片与系统研究ResearchonLowPowerHighSensitivityPhotodetectionIntegratedCircuitandSystem指导教师：指导小组：万磊洪志良教授秦亚杰博士易婷副教授陈国平副研究员复旦大学信息科学与工程学院微电子研究院万方数据复旦大学硕士学位论文目录摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．IIIAbstract⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．IV第一章引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．11．1研究背景及意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．11．2研究现状⋯⋯

2、⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．31．3论文的主要工作⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯41．4论文的组织与安排⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5第二章光电检测基础⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯72．1光电转换原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯72．2光电探测器比较⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．82．3光电流读出电路比较⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．102．4有机磷检测原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯14第三章光电管及电流读出电路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．163．1设计要求⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．163．2数学模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

3、⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．173．3系统架构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．203．4噪声分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．21第四章光检测电路结构设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．244．1电路设计⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．244．1．1CTIA设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯244．1．2比较器设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．264．1．3参考电压设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯274．2仿真结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3l4．2．1运算放大器仿真⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3l4．2．2比较器仿真结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

4、．324．2．3斜坡信号仿真结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．334．2．4整体仿真结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯334．3系统设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．344．3．1主板设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．354．3．2溶液腔设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．354．3．3激励光源设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯354．3．4程序设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．36万方数据复旦大学硕士学位论文第五章芯片测试与系统测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．385．1芯片测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．385．1．1测试指标说明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

5、⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯385．1．2测试方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．395．1．3测试结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．405．2有机磷检测系统测试⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．425．2．1有机磷测试方案验证⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯435．2．2有机磷检测系统测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯445．2．3有机磷检测系统稳定性测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯45第六章直流抑制型光电检测电路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯496．1背景介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯496．2电路原理图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5l6．3测试方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

6、⋯⋯⋯．516．4测试结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．52第七章总结与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯547．1工作总结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．547．2未来的研究工作展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯54参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯55II万方数据复旦大学硕士学位论文摘要基于大规模集成电路技术(VLSI)的CMOS光电生物探测芯片在环境监测、医疗电子、生命科学等领域有着广泛的应用，是近年来微电子芯片技术一个新的发展热点。本论文主要针对两种不同应用场合——应用于环境监测领域的有机磷检测和应用于生命科学的大分子检测——进行光检测芯

7、片电路和系统的研究与设计，重点研究检测芯片的高灵敏度和低功耗技术。针对光电检测应用于手持式有机磷检测的低速、高精度、低功耗的应用要求，论文对检测系统、光电检测模拟前端结构、关键模块电路等各个部分做了深入细致研究，提出了一种基于折叠式参考电压的改进脉宽调制电路，实现了在低功耗情况下达到高灵敏度、大输入信号动态范围的光电流数字化探测前端。论文设计了一款光到脉冲宽度的检测与转换电路，并在0．18urnCMOS工艺下流片验证，测试结果表明：芯片的光灵敏度为3．6nW／cm2，动态范围为71dB，芯片