光電模塊中微弱電流測(cè)量電路的設(shè)計(jì)與測(cè)試

譚 同，何慧敏，李寶霞，薛海韻，周云燕，曹立強(qiáng)

（1.中國科學(xué)院微電子研究所 北京 100029；2.華進(jìn)半導(dǎo)體封裝先導(dǎo)技術(shù)研發(fā)中心有限公司，江蘇 無錫214135；3.中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049）

光電模塊中微弱電流測(cè)量電路的設(shè)計(jì)與測(cè)試

譚 同1，2，3，何慧敏1，2，3，李寶霞1，2，薛海韻1，2，周云燕1，2，曹立強(qiáng)1，2

（1.中國科學(xué)院微電子研究所 北京 100029；2.華進(jìn)半導(dǎo)體封裝先導(dǎo)技術(shù)研發(fā)中心有限公司，江蘇 無錫214135；3.中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049）

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)集成光路中各通道上的光強(qiáng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，測(cè)量nA級(jí)微弱電流，提出了兩種基于運(yùn)算放大器的微弱電流測(cè)量電路，并完成PCB板制作和電路測(cè)量。采用了將微弱電流轉(zhuǎn)換成電壓進(jìn)而放大電壓信號(hào)的方法，通過實(shí)際測(cè)試，兩種電路達(dá)到了0.09 nA/0.2 nA分辨能力，80 nA/120 nA測(cè)量范圍，實(shí)現(xiàn)了光電模塊中微弱電流測(cè)量需求；同時(shí)分析了電路的溫度穩(wěn)定性、占用PCB板的面積、功耗，為不同應(yīng)用場(chǎng)景下光電模塊中微弱電流測(cè)量電路的選擇提供依據(jù)。

光電模塊；nA；運(yùn)算放大器；微弱電流；溫度穩(wěn)定性

隨著硅基光子集成技術(shù)的發(fā)展，需要在不影響光子芯片正常工作的情況下，對(duì)集成光路中各通道上的光強(qiáng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，來有效的調(diào)整光子集成系統(tǒng)的工作狀態(tài)以達(dá)到最優(yōu)系統(tǒng)性能[1-2]。各種可在硅襯底上單片集成的新型監(jiān)測(cè)光探測(cè)器（MPD）成為光電器件領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，但不論這些MPD是基于何種吸收機(jī)制（表面態(tài)吸收、雙光子吸收、鍺吸收以及雜質(zhì)能級(jí)缺陷態(tài)吸收）[3]，他們的共同特點(diǎn)是低速直流工作，微量信號(hào)檢測(cè)。也就是說，無論檢測(cè)光路上光信號(hào)的調(diào)制速率高低，MPD上得到的只是光功率的平均值，同時(shí)進(jìn)入MPD的光是微量的（例如，僅為檢測(cè)光路光功率的萬分之一），MPD上產(chǎn)生的光生電流也是微弱的（納安量級(jí)）。MPD光生電流的放大成為后續(xù)電子電路中的重要部分。

傳統(tǒng)的MPD主要用在于長(zhǎng)距離光發(fā)射模塊中激光器的光發(fā)射功率監(jiān)測(cè)，因放置位置在激光器后面，被稱為背光檢測(cè)器[3]。隨著系統(tǒng)對(duì)光電模塊輕薄短小、高通道數(shù)、低功耗的需求提高，對(duì)其內(nèi)放大電路提出了新的要求。文中主要基于兩款放大芯片OPA4340和MAX44286進(jìn)行微弱電流測(cè)量電路的設(shè)計(jì)、制作與測(cè)試。分析比較這兩種電路的可測(cè)電流范圍、測(cè)量分辨率、溫度穩(wěn)定性，以及占用PCB板的面積、功耗等等，為不同應(yīng)用場(chǎng)景下各種光電模塊中微弱電流測(cè)量電路的選型提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 微弱電流測(cè)量原理

光電模塊中，被檢測(cè)光路的光功率一般在μW到mW量級(jí)，MPD上產(chǎn)生的光生電流在nA量級(jí)；對(duì)于如此微弱的電流，一般的測(cè)量方法無法準(zhǔn)確的得到輸入電流數(shù)值。

微弱電流的測(cè)量主要有IV轉(zhuǎn)換 （電流-電壓轉(zhuǎn)換）和IF轉(zhuǎn)換（電流-頻率轉(zhuǎn)換）兩種方法[4]；IV轉(zhuǎn)換有兩種實(shí)現(xiàn)方式，分別是取樣電阻法和運(yùn)算放大器反饋法[5]。取樣電阻法的實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單，但是取樣電阻會(huì)對(duì)待測(cè)電流進(jìn)行分流，減小待測(cè)電流數(shù)值；而運(yùn)放反饋法是將運(yùn)放和負(fù)反饋電阻組成互阻放大電路[5-6]，由于運(yùn)放的高輸入阻抗，所以測(cè)量電路對(duì)待測(cè)電流幾乎沒有什么影響，故一般都會(huì)采用后者進(jìn)行微弱電流測(cè)量[7-8]。

在光電模塊中需要測(cè)量的是MPD光電二極管中流過的電流，且光電二極管需要有反向偏壓才能正常工作[9]，因此設(shè)計(jì)電路原理圖如圖1所示。

圖1 運(yùn)放反饋法原理圖

根據(jù)理想運(yùn)算放大器的“虛短”特性，在同相端加上直流電壓相當(dāng)于在反相端也加上同樣的電壓，MPD光電二極管被反向偏置，滿足其正常工作狀態(tài)；當(dāng)MPD感應(yīng)到光時(shí)，會(huì)產(chǎn)生反向電流。

在圖1中，對(duì)于理想運(yùn)算放大器，輸入輸出關(guān)系式為：

對(duì)于實(shí)際的運(yùn)放，由于集成電路制造技術(shù)及工藝的影響，會(huì)產(chǎn)生輸入失調(diào)電壓V0和偏置電流IB等，另外放大器的增益A也不會(huì)無窮大，故輸入輸出關(guān)系式為：

如果關(guān)系式（2）要趨近于關(guān)系式（1），就要使偏置電流IB遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于IS，并且失調(diào)電壓V0S遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于IS*RF[10]。

在用反饋法測(cè)量微弱電流時(shí)，由于電流非常微弱，達(dá)到10-9數(shù)量級(jí)，反饋電阻RF必須非常大才可以使輸出滿足后面放大電路的需求，但是一方面RF過大又會(huì)在電路中產(chǎn)生較大的電壓噪聲[4]；另一方面運(yùn)算放大器并不是理想的運(yùn)算放大器，隨著反饋電阻的增大，偏置電流IB對(duì)IS的分流作用將會(huì)越來越明顯[10-11]；因此反饋電阻并不是越大越好，要根據(jù)具體的電路選擇合適大小的反饋電阻。

由于反饋電阻過大會(huì)產(chǎn)生電壓噪聲，在反饋電阻兩端并聯(lián)反饋電容，在輸出端添加阻容濾波電路，其可以抑制或平滑偶然尖峰噪聲[11-12]。

2 微弱電流測(cè)量電路設(shè)計(jì)和制備

MAX44286是一款低功耗、零漂移、高精度的電流監(jiān)測(cè)型運(yùn)算放大器，V0S=30 μV，當(dāng)工作電壓V0S=3.3 V時(shí)，靜態(tài)功耗PDQ=0.041 mW（一路）；其內(nèi)部集成了兩個(gè)串接運(yùn)算放大器，因此只需要選擇外部的感應(yīng)電阻即可，并且其采用WLP封裝，在電路板中占用面積極小，在小型光電模塊中具有很大的優(yōu)勢(shì)[13]。

基于MAX44286芯片的微弱電流測(cè)試電路原理圖如圖2所示。

圖2 基于MAX44286芯片的微弱電流測(cè)試電路原理圖

MAX44286是對(duì)R1上的電壓進(jìn)行放大，并且放大倍數(shù)可以選擇；由于在測(cè)試電路中選用的單片機(jī)內(nèi)部AD的參考電壓是2.44 V，放大電路輸出端的電壓應(yīng)限制在2.44 V之內(nèi)[14]；并且設(shè)計(jì)可測(cè)微弱電流在之內(nèi)，因此在此電路中選擇R1即RS=220 kΩ，選擇增益G=100型號(hào)芯片。

根據(jù)圖2的電路原理圖和MAX44286芯片手冊(cè)，其輸入電流與輸出電壓理論計(jì)算關(guān)系式：

OPA4340是一款軌到軌的低壓、單電源運(yùn)算放大器，其低噪聲和軌到軌的輸入輸出特性非常適合驅(qū)動(dòng)電路后級(jí)的AD轉(zhuǎn)換器[15]；靜態(tài)工作電流IQ=680 μA，當(dāng)工作電壓VS=3.3 V時(shí)，靜態(tài)功耗PDQ=2.24 mW（兩路）；并且其偏置電流IB=0.2 pA，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于測(cè)量電流Is，輸入失調(diào)電壓V0S=99 μV，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于IS*RF；因此此款運(yùn)算放大器可以作為微弱電流測(cè)量的放大器。

基于OPA4340芯片的微弱電流測(cè)試電路原理圖如圖3所示。

圖3 基于OPA4430芯片的微弱電流測(cè)試電路原理圖

第一個(gè)運(yùn)算放大器的作用是將電流轉(zhuǎn)化為電壓，之后通過第二個(gè)運(yùn)算放大器進(jìn)行電壓放大。根據(jù)圖4電路原理圖可以得到輸入電流與輸出電壓之間的理論計(jì)算關(guān)系式：

根據(jù)圖2和3的電路原理圖，在設(shè)計(jì)版圖時(shí)盡量將芯片需要的電容、電阻靠近運(yùn)放布置，制作出PCB板、并貼裝元器件。測(cè)量可知MAX44286電路所占面積為4*4.5 mm2，而OPA4340電路所占面積為12*10 mm2，因此在占用面積上，運(yùn)放MAX44286更有優(yōu)勢(shì)。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

分別測(cè)量了電路在不同的輸入電流時(shí)，輸出電壓的大小；同時(shí)為了測(cè)量溫度對(duì)測(cè)量電路的影響，實(shí)驗(yàn)中也設(shè)置了環(huán)境溫度作為參量；環(huán)境溫度通過恒溫真空干燥箱進(jìn)行模擬，將實(shí)驗(yàn)電路板放置于恒溫干燥箱中，通過導(dǎo)線與外部的電源、電壓表、單片機(jī)連接。

同時(shí)在測(cè)試時(shí)，也對(duì)輸出電壓進(jìn)行了單片機(jī)的AD采集。單片機(jī)內(nèi)部的AD參考電壓是2.44 V，故在單片機(jī)采集輸出電壓時(shí)，會(huì)在2.44 V左右達(dá)到飽和。

為了排除不同電路板造成的測(cè)試結(jié)果偶然偏差，考察測(cè)量電路的一致性問題，在測(cè)試之前對(duì)兩塊電路板依次編號(hào)A、B，測(cè)試時(shí)在相同條件下對(duì)兩塊板子進(jìn)行測(cè)試；測(cè)試數(shù)據(jù)用MATLAB進(jìn)行處理，并且將測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

3.1 基于MAX44286芯片的測(cè)量電路測(cè)試結(jié)果

A/B板分別在20℃、40℃、60℃、80℃條件下，基于MAX44286芯片的電路測(cè)試I-V曲線如圖4、5所示。

圖4 A板在不同溫度下I-V對(duì)比

圖5 B板在不同溫度下I-V對(duì)比

由測(cè)試結(jié)果可知：溫度變化時(shí)，輸入電流是0 nA時(shí)，A/B板輸出電壓與理論計(jì)算最大差值是25 mV，根據(jù)測(cè)量斜率反推計(jì)算出電流值1.25 nA，因此可測(cè)量的最小電流應(yīng)是1.25 nA；用電壓表測(cè)量A/B/C輸出電壓時(shí)（3.3 V限幅），電流可測(cè)最大電流163 nA；單片機(jī)采集輸出電壓（2.44 V限幅）時(shí)，電流可測(cè)最大電流120 nA；實(shí)驗(yàn)中使用的單片機(jī)AD是10位的，反推計(jì)算可測(cè)量的電流精度是0.108 nA；在測(cè)量中設(shè)置有 3個(gè)電流值 14.718 nA，14.850 nA，14.917 nA，變化值是0.14 nA和0.067 nA，單片機(jī)采集時(shí)不能穩(wěn)定分辨出0.14 nA和0.067 nA的變化電流，但是卻可以分辨出0.207 nA的差值電流，因此目前可測(cè)量的最高精度電流是0.207 nA。

由圖4、5知，MAX44286電路測(cè)量值與理論值之差隨著電流變大而逐漸變大；測(cè)量得到的三塊電路板I-V曲線斜率K=0.019 9，與理論計(jì)算值KO=0.022存在較大差距，因此可以將式（3）理論計(jì)算的斜率值調(diào)整為0.019 9。

3.2 基于OPA4340芯片的測(cè)量電路測(cè)試結(jié)果

A/B板在20℃、40℃、60℃、80℃條件下，基于OPA4340芯片的電路測(cè)試I-V曲線分別如圖6、7所示。

圖6 A板在不同溫度下I-V對(duì)比

圖7 B板在不同溫度時(shí)I-V對(duì)比

由測(cè)試結(jié)果可知：溫度變化時(shí)，輸入電流是0 nA時(shí)，A/B輸出與計(jì)算值差值最大為10 mV，根據(jù)式（4）反推計(jì)算電流0.58 nA，故其最小測(cè)量電流是0.58 nA；OPA4340在實(shí)驗(yàn)中用電壓表測(cè)量輸出電壓（3.3 V限幅）時(shí)，可測(cè)最大電流111 nA之間；單片機(jī)采集輸出電壓（2.44 V限幅）時(shí)，可測(cè)最大電流83 nA；實(shí)驗(yàn)中使用的單片機(jī)AD是10位的，反推計(jì)算可測(cè)量的電流精度是0.047 nA；在測(cè)量中當(dāng)電流變化值是0.03 nA時(shí)，單片機(jī)已無法分辨出輸出電壓值，當(dāng)電流變化值是0.09 nA時(shí)，單片機(jī)可以分辨出輸出電壓值，因此可測(cè)量的最高精度電流是0.09 nA。

測(cè)量得到的兩塊電路板OPA4340電路I-V曲線與式（4）計(jì)算公式的曲線幾乎重合，3塊電路板測(cè)量得到的I-V曲線的斜率是K=0.017 0，與理論計(jì)算的K0=0.017 2差值極小，式（4）可以作為理論計(jì)算公式。

3.3 兩種測(cè)量電路對(duì)比

兩種電路的測(cè)試結(jié)果對(duì)比如表1所示。MAX44286電路可測(cè)量的電流范圍較大并且靜態(tài)功耗和占用面積較小，但是溫度變化時(shí)其輸出電壓的波動(dòng)較大，測(cè)量精度相對(duì)較低，實(shí)測(cè)I-V曲線斜率與理論計(jì)算值間誤差也較大，建議以實(shí)測(cè)I-V曲線斜率做調(diào)整；OPA4340電路測(cè)量范圍比MAX44286小了40 nA，靜態(tài)功耗和占用面積也比后者高出許多，但是其測(cè)量精度和靈敏度高，輸出穩(wěn)定，不會(huì)隨溫度變化出現(xiàn)明顯波動(dòng)，當(dāng)模塊對(duì)尺寸和功耗沒有苛刻要求時(shí)，OPA4340是較好選擇。而MAX44286更適合小體積、低功耗，對(duì)光功率檢測(cè)精度要求不高的光電模塊。

表1 兩種測(cè)量電路對(duì)比

4 結(jié) 論

文中基于兩款運(yùn)算放大器芯片進(jìn)行微弱電流測(cè)量電路的設(shè)計(jì)、制作與測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示兩種電路的測(cè)量精度和測(cè)量范圍都達(dá)到了光電模塊中對(duì)MPD中微弱電流的測(cè)量需求；同時(shí)對(duì)基于兩種芯片的電路的溫度穩(wěn)定性、占用面積、功耗進(jìn)行了分析，其結(jié)果可用于各種光電模塊中微弱電流測(cè)量電路的選型。

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Design and test of weak current measurement circuit in photoelectric module

TAN Tong1，2，3，HE Hui-min1，2，3，LI Bao-xia1，2，XUE Hai-yun1，2，ZHOU Yun-yan1，2，CAO Li-qiang1，2
（1.Institute of Microelectronics of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100029，China；2.National Center for Advanced Packaging Co.，Ltd.Wuxi 214135，China；3.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China）

In order to realize the real-time monitoring of the optical intensity of each channel in optical integrated circuits and the measurement of the nA level weak current，two kinds of weak current measurement circuit based on operational amplifier are put forward；and the PCB circuit board production and measurement are completed.With the method that the weak current is converted into voltage which would be amplified later，through the actual test，the two circuit reached resolution of 0.09nA/0.2nA，the measurement range of 80nA/120nA and the weak current measurement requirements of optoelectronic modules；the occupation of temperature stability，PCB circuit board area，power consumption are also analyzed，which providing the basis of choice for the weak current measurement circuit of photovoltaic modules under different scenarios.

optical transceiver modules；nA；operational amplifier；weak current；temperature stability

TN407

A

1674-6236（2017）09-0006-04

2016-09-12稿件編號(hào)：201609128

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）資助（2015AA016904）

譚 同（1993—），男，河南周口人，碩士研究生。研究方向：光電模塊中信號(hào)完整性及電源完整性。