（微电子学与固体电子学专业论文）bcd工艺下dvd光学头中单片集成pdic的研制.pdf

摘要 摘要 光盘存储技术在信息社会中发挥着越来越重要的作用，p d i c ( p h o t o d e t e c t o r i n t e g r a t e dc i r c u i t ) 是光盘存储系统光学头的关键元件之一。与传统混合集成的 p d i c 相比，单片光电集成的p d i c 具有低成本、高性能的优势，现已成为硅基 光电集成( o e i c ) 研究的一个热点。虽然全球绝大部分光学头生产厂商都在中 国大陆，但p d i c 芯片都依靠进口。相比国外，国内对于该技术的研究还处在起 步阶段，因此研究单片光电集成的p d i c 对于打破国外垄断、提高我国d v d 光 学头产业的整体技术水平及核心竞争力具有一定的积极意义。 商业化的b c d ( b i p o l a rc m o sd m o s ) 工艺比标准c m o s 工艺多了一个n 型埋层，n 型外延层中杂质掺杂浓度较低，利用这一特点可以构建f + n 型外延 层n 阱埋层( 类似p i n ) 结构的光电探测器。因此，本文采用低成本的0 5 1 s mb c d 工艺研制了用于d v d 机的单片集成p d i c ，主要的工作内容如下： 1 从低成本角度出发，利用b c d 工艺埋层的b n + 特点设计了与工艺完全兼 容的适合6 5 0 n m 波长的p + n e p i b n + 光电探测器，并给出一个完整的等效电路 模型。 2 设计了基于互补式自偏置差分放大器( c s d a ) 结构的三级负反馈跨阻放 大器。为了提高负载能力设计了一个两级运放作为单位增益缓冲器。采用s p e c 瞬 软件对负反馈跨阻放大器进行了仿真设计。 3 为了抑制电源扰动对跨阻放大器的性能影响，设计了一种低压线性稳压 器( l d o ) 。仿真结果表明其输出电压可以达4 3 6 v ，有较好的电源抑制比。 4 采用c a d e n c e 软件完成单片集成p d i c 的版图设计，并在无锡华润上华流片 加工。版图面积约9 8 1 1 9 8 2 i _ t m 2 。 5 根据实验室的测试条件对流片回来芯片进行了两种形式的封装，并做了具 体的测试。测试结果：2 5 v 反向偏压下，p i n 探测器结电容约为0 3 5 6p f ，6 5 0 r i m 波长的响应度约0 18 5 a w ，p d i c 中a - - 一d 部分的带宽6 5 m h z 左右，响应度为 2 1 8 2m w i _ t w - 2 8 0 8 m v u v , w ；e 、f 部分的响应度为4 2 2 9 m v p w 4 7 3 1m v u w ；输出失调电压均小于2 0m v ；功耗约1 3 0 r o w 。所测指标均能达到设计要求。 本文在国内条件下采用低成本的标准b c d 工艺自主完成了d v d 光学头中 摘要 p d i c 的光电单片集成，研制过程中克服了s i 基光电集成中的难题： 1 成功解决s i 基光电集成的难点一利用标准b c d 工艺研制出高性能( 高 探测灵敏度，高传输速率) 的6 5 0 n m 的硅基光探测器。 2 自主建立了一种新的包含光电流、暗电流、结电容、并联和串联电阻、 以及噪声特性在内的光电探测器完整的等效电路模型，实现p d 与负反馈跨阻放 大器( t i a ，t r a n i m p e d a n c ea m p l i f i e r ) 的协同设计。 3 在电路设计中，充分考虑并解决了纵向结构的光探测器p d 和横向结构 电放大器t i a 之间的结构、工艺兼容性问题；解决在光照下电子电路避免光信 号干扰的问题。 关键词：单片集成p d i c ；p i n 光电探测器；跨阻放大器。 a b s t r a c t a b s t r a c t o p t i c a ld a t as t o r a g et e c h n o l o g i e sa r ep l a y i n ga m o r ea n dm o r ei m p o r t a n tr o l ei n m o d e r ni n f o r m a t i o ns o c i e t y p d i c ( p h o t o d e t e c t o ri n t e g r a t e dc i r c u i oi so n eo f e l e m e n t si n o p t i c a lp i c k u pu n i t ( o p u ) c o m p a r e dw i t hh y b r i di n t e g r a t i o n , t h e m o n o l i t h i ci n t e g r a t i o no fp d i ch a sa d v a n t a g e so fl o wc o s ta n dh i g hp e r f o r m a n c e ， w h i c hb e c o m e sar e s e a r c hh o t s p o to fs i l i c o n - b a s e do e i c m o s to fo p uf a c t o r i e sa r e i nm a i n l a n dc h i n a , b u tt h e i rp d i cc h i p sa l ld e p e n do ni m p o r t a t i o n i np r e s e n t c o m p a r e d 埘ma b r o a dt h es d u d i e so fp d i c ，t h o s ea r es t i l li ns t a r t u pp e r i o d si no u r c o n t u r y t h er e s e a r c ho fm o n o l i t h i cp d i cw i l lb r e a kt h em o n o p o l i z a t i o no fo v e r s e a c o m p a n i e si nt h i sa r e a , a n di m p r o v e t h eo v e r a l lt e c h n i c a ll e v e la n dc o m p e t i t i v ee n e r g y o fc h i n e s ep i c k u pi n d u s t r i e s t h ec o m m e r c i a l i z e db c d ( b i p o l a rc m o sd m o s ) t e c h n o l o g ye x i t san - t y p e b u r i e dl a y e r , b yw h i c hp + m - e p i nb u r i e dl a y e rs t r u c t u r eo fd e t e c t o r sw i t has i m i l a r c h a r a c t e r i s t i co fp i np h o t o d e t e c t o rc a nb er e a l i z e d t h ed o p e dc o n c e n t r a t i o no f n - t y p ee p i t a x i a ll a y e ri sl o w s ot h i sd i s s e r t a t i o nd e v e l o p sam o n o l i t h i cp d i cf o r d v dm a c h i n eb yl o wc o s tb c dt e c h n o l o g y s t u d i e so ft h i sp a p e ra r el i s t e da s f o l l o w s ： 1 i no r d e rt og e tl o wc o s tp d i c ，b a s e do nb n + l a y e ro fb c dt e c h n o l o g yt h e s t r u c t u r eo fp + n - e p i b n + f o r6 5 0 r i mi s d e s i g n e d aw h o l ec i r c u i tm o d e lo f p + n e p i b n + p h o t o d e t e c t o ri se s t a b l i s h e d 2 b a s e do nc s d a t h r e e s t a g en e g a t i v ef e e d b a c kt r a n s i m p e d a n c ea m p l i f i e r ( t 认) i sd e s i g n e d i no r d e rt oi m p r o v el o a dc a p a c i t y , ab u f f e ro fu n i t yg a i na m p l i f i e r c o m p o s e do f at w o - s t a g ea m p l i f i e ri sd e s i g n e d 3 i no r d e rt os u p p r e s st h ep o w e rs o u r c ep e r t u r b a t i o nt oa f f e c tt r a n s i m p e d a n c e a m p l i f i e r sp e r f o r m a n c ei n f l u e n c e ，al o wd r o p o u tl i n e a rv o l t a g er e g u l a t o r ( l d o ) i s d e s i g n e d s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a ti t so u t p u tv o l t a g er e a c h e s4 3 6 va n di t sp s r r i s h i g h 4 w i t hc a d e n c ev i r t u o s ol a y o u te d i t o r , t h em o n o l i t h i cp d i cl a y o u ti s c o m p l e t e d ，w h i c ha r e ai sa b o u t9 81x19 8 2p m i i ! a b s t fa c t 5 b s e do nt h ec o n d i t i o no fo u ro w n l a b o r a t o r y , t w ok i n d so fp a c k a g i n g s t r u c t u r e a r ea d o p t e d a n dt h et e s t i n go fp d i ci sa c c o m p l i s h e d t e s t i n gr e s u l ts h o wt h a ta t 2 5 vr e v e r s eb i a st h ec a p a c i t a n c eo fp + n e p i b n + p h o t o d e t e c t o ri sa b o u t0 3 5 6p f ， a n di t sr e s p o n s i v i t yo f6 5 0 n mi sa b o u t0 18 5 a w t h es e n s i t i v i t yo fh i 曲b a n d w i d t h p a r ti sf r o m2 1 8 2t o2 8 0 8 m v i t w ，a n dt h a to f h i g l l g a i np a r ti sf r o m4 2 2 9t o4 7 3 1 m w i t w t h e 一3 d bb a n d w i d t ho fh i 曲一b a n d w i d t hp a r t i sa b o u t6 5 m h z t h e o u t p u t - o f f s e tv o l t a g ei sl e s s t h e n2 0 m v t h ep o w e rd i s s i p a t i o ni sa b o u t13 0 m w m e a s u r e dr e s u l t sm e e td e s i g nr e q u i r e m e n t s am o n o l i t h i cp d i ci sd e s i g n e db a s e do nl o w c o s ts t a n d a r db c dt e c h n o l o g y s o m ed i f f i c u l t i e so fo e i cd e s i g na r es o l v e d 1 o n eo fm o s td i f f i c u l tp o i n ta b o u ts i - s u b s t r a t eo e i ci so v e r c o m e d b a s e do n b c d t e c h n o l o g y , ah i g h - p e f o r m a n c e6 5 0 r i ms i l i c o n - b a s e dp h o t o d i o d ei sr e a l i z e d 2 t h ef u l ls p i c ee q u i v a l e n tc i r c u i tm o d e lo fp h o t o d e t e c t o ri se s t a b l i s h e d ，w h i c h i n c l u d ep h o t o c u r r e n t , d a r kc u r r e n t ，j u n c t i o nc a p a c i t a n c e ，r e s i s t a n c ea n dn o i s e t h e c o l l a - b o r a t i v ed e s i g nb e t w e e np da n dt i ai sr e a l i z e d 3 w h e ni cd e s i g n e d , w ec o n s i d e r e df u l l ya n ds o v l e dt h ep o b l o e m ，w h i c h i n v o l v e st h es t r u c t u r ea n dt e c h n o l o g yc o m p a t i b i l i t yb e t w e e nv e r t i c a ls t n l c t u 佗 p h o t o d e t e c t o ra n dh o r i z o n t a ls t r u c t u r et i a ，a n dt h es i g n a li n t e r f e r e n c ec a u s e db y i l l u m i n a t i o n k e y w o r d s ：m o n o l i t h i cp d i c ；p i np h o t o d e t e c t o r ；t r a n s i m p e d a n c ea m p l i f i e r i v 第章绪论 第一章绪论 随着社会信息化的发展，光盘存储以其容量大、寿命长、成本低、复制速度快 等显著优点已经成为现代社会信息存储的重要手段之一，而d v d ( d i g i t a lv i d e o d i s c ) 更是新一代数字视听技术和数字化信息存储设备的典型代表和潮流。它集 计算机技术、光学记录技术和影视技术等为一体，其目的是满足人们对大存储容 量、高性能的存储媒体的需求。p d i c ( p h o t o d i o d ei n t e g r a t e dc i r c u i t ) 是一种专门 用于光盘存储系统光学读写头中的o e i c ( o p t o e l e c t r o n i ci n t e g r a t e dc i r c u i 0 ，是光 学头的关键部件，信息检测都是通过p d i c 来完成的。因此其品质优劣对光盘机 的技术性能具有决定性的影响。 1 1d v d 光学头技术概述 1 9 8 2 年p h i l i p s 公司发表红皮书确定了c d 光盘的外观、尺寸、形状、信号 的记录方式及相关产品的规格，从此光盘存储技术得到了飞速发展【1 1 d v d 是 为满足当今人类社会大量信息的高密度存储要求，给人们以高品质视听享受而产 生的一种新技术产品。1 9 9 4 年1 2 月1 6 日，飞利浦公司和索尼公司公布了采用 m p e g - 2 压缩标准的单面双层1 2 c m 高密度光盘h d d c ( h i g hd e n s i t yc o m p a c t d i s c ) 的规范，使用6 3 5 n m 的激光器和数值孔径0 5 2 的激光头。单面存储量提高 到3 7 g b ，单面双层结构总容量达7 4 g b ，这也是第一次提出d v d 技术规格【2 1 1 9 9 5 年1 月2 4 日，东芝、松下、先锋、日立、汤姆逊、美国音乐公司和米高梅 影片公司等八大公司在洛杉矶共同宣布另一种具有竞争性超密度数字视盘 s d d v d ( s u p e rd n e s i y td i h g a lv i d o cd i s c ) 的规格使用6 5 0 r i m 的激光器和数值孔 径o 6 的激光头，采用的是双层双面的存储结构，将两张厚度为0 6 m m 的信息盘 片背靠背的粘接在一起，单面的容量为5 g b ，双面的容量达到1 0 g b3 1 。 虽然红光d v d 在存储的密度及读写速度方面和c d 相比，己经有了长足的 进步，然而业界依然没有放弃努力早已把目光投向蓝光技术。2 0 0 2 年2 月1 9 以 索尼、飞利浦和松下为核心联合日立、先锋、夏普、韩国三星、l g 及法国汤姆 b c d 工艺下d v i ) 光学头中单片集成p d i c 的研制 逊共同发布了0 9 版的b l u - r a y d d i s k ( b d ) 技术标准，标志着蓝光光盘的诞生。 蓝光d v d 也是采用m p e g - 2 压缩标准，单层蓝光d v d 盘片的存储容量可达 2 7 g b f “】。 光盘存储技术，是利用精细聚焦的激光束从模压而成的盘片上读取信息或进 一步利用光对记录介质的物理或化学效应去改变介质的某些光学性能，如对光的 反射、吸收或相移等，从而实现二值化数据的写入、读取与擦除。而光盘信息的 读出和写入都要通过光学头来完成，因此光学头是d v d 光盘存储系统关键部分。 光学头种类繁多，读取不同的格式的光盘的光学头内部结构也各不相同，不同公 司生产的光学头也都有自己公司独特的结构。但主要还是由d v d 激光二极管、 光栅、光束分离元件、光电检测集成电路( p d i c ) 、准直透镜及物镜等组成，如 图1 1 所示。以下，我们对光学头的各组成元件做简单的介绍【7 l 【引。 图1 - 1 光学头示意图 ( 1 ) 激光二极管( l d ) 。激光二极管是光学头的光源，c d 光学头用激光二极 管的激光波长为7 8 0 n m ，d v d 的为6 5 0 n m 或6 3 5 n m 而蓝光d v d 为4 0 5 r i m 。激光光 斑氲径必须小于碟片的信迹之间的距离，焦深范围必须小于信迹间距的2 倍。否 则，即使寻迹伺服控制再好，光斑始终落在信息中心，由于光斑的边缘离相邻轨 迹太近，就会出现几帧同时读取的现象，使画面周围有影坏现象。 ( 2 ) 准直透镜。准直透镜是一个平凸透镜，作用是对激光束的发散角进行 整形，使发散光束通过透镜后可变为平行光束，再进入物镜。 2 第一章绪论 ( 3 ) 偏振分光棱镜和1 4 波长。偏振分光棱镜和1 4 波长组合成光束分离元 件，所起的作用是避免射出光束与返回光束因共用光路而发生相互干涉并实现分 离。 ( 4 ) 物镜。物镜是一种聚焦透镜，作用是把平行光束会聚于碟片的信息面 上或是收集从光盘信号面上反射回来的光脉冲信号送入光电检测器。 ( 5 ) 光电检测电路( p d i c ) 。光电检测电路基本作用是把从光盘信息层反射 的光信号转换成电信号，是光头中的关键部件之一。以下章节将重点讲述这部分 内容。 1 2p d i c 的现状 随着信息社会的到来，作为尖端技术的微电子学领域，为了加快技术进步， 不断的要求更多、更快、耗能更少的处理信息。在过去的发展中，电子器件逐渐 小型化，处理速度高速化，而消耗电能越来越少。但是，随着技术要求日益提高， 信息处理硬件的微细加工的极限开始显现出来，束缚了技术的日益发展。为了打 破这种技术屏障，光电子技术成为首选。光电子技术将信息加在光波上，不断的 开发光电信息处理技术【们。 近年来出现的将光电器件与电子器件集成化的光电集成电路( o e i c ) ，有 效地缩小了器件的体积，大大减小了寄生效应的影响，提高了器件的性能和可靠 性，并且大幅度地降低了批量生产的成本。光电集成的方式主要有两种即：混合 集成和单片集成。混合集成是将各种光器件、电器件分别制在不同衬底上， 然后通过焊接或其它连接方式组装起来，形成允许不同技术组合、不同衬底的光 电混合集成模块。单片集成是将光电器件与微电子器件集成在同一片衬底上。相 对于混合集成，单片集成具有以下优点【l o 】： ( 1 ) 器件问的互连线减小到最少，寄生参数得以减小，从而提高了器件的工 作频率。 ( 2 ) 由于减少了封装工序，易于大批量生产，大大降低器件生产成本和封装 成本。 ( 3 ) 单片集成o e i c 还具有抗震动、整体性能好等优点。 3 b c d 工艺下i ) v d 光学头中单片集成p d i c 的研制 而p d i c 是一种专门用于光盘存储系统光学读写头中的o e i c ，是硅基o e i c 研究的一个热点。单片集成硅基p d i c 占据了光盘机光学读取头用光信号拾取部 分的主流地位。 2 0 0 1 年中国科学院半导体所梁恩主等人采用0 3 5 1 u n c m o s t - 艺研制了用于 d v d n c d 的混合集成p d i c ，由六象限探测器阵列与电流模跨阻前置放大器采用 键合技术组合而成，探测器的响应度可达0 3 7 0 a w , 暗电流可达0 1 6 n a t 1 1 2 】。近 年来，北京大学深圳研究生院集成微系统科学与工程重点实验室也有开展p d i c 的研究n 3 x 1 ，但未见有测试结果报道。杭州士兰光电技术有限公司于2 0 0 5 年8 月 推出了p d i c 产品s m 5 2 5 t 1 5 l ，该产品主要用于c d 光盘机。0 9 年下半年又用该公司 自己开发的b i c m o s 工艺成功推出一款用于d v d 的高性能p d i c 芯片s m 6 2 6 t 1 6 1 ， 填补了国内p d i c 的空白，如图1 - 2 所示，但自定制工艺成本较高。2 0 0 6 年本实验 室卞剑涛博士采用低成本的c m o s t 艺成功研制了用于c d 光盘机的单片集成 p d i c ，由六象限的n * 奎l l p s u b 结构探测器阵列与跨阻前置放大器组合而成 【1 7 】。然而相比国外，国内对于p d i c 的研究落后太多。 图1 2s m 6 2 6p d i c 国外的一些大型公司很早就对p d i c 进行了大量的研究，而且技术都已经很成 熟了，这些大公司包括松下、夏普、东芝、索尼、三星等。早期的产品主要采用 双极型工艺【m 捌，而随着工艺技术发展p d i c 一般采用c m o s 、b i c m o s - et 2 1 叫l 。 根据各光学头制造厂家在不同的光路设计中采用的光学组件不同，光电探测器的 几何图形也不一致，有四象限、六象限、八象限等等，但探测器的主流结构是p i n r 】 黟泌 第一章绪论 结构。而前置放大器主要利用负反馈跨阻型放大器( t r a n i m p e d a n c ea m p l i f i e r ， t i a ) 来实现。h z i m m e r m a n n 等人采用自定制c m o s 或b i c m o s 技术研制的 p d i c ，就光电探测器与前置放大电路部分提出了多种方案( 挣2 7 1 。 表1 1 为国外s i 基p d i c 光接收芯片的研究的简单对照。从表1 1 可看出相比国 外国内p d i c 的研究落后很多还处于起步阶段。 表1 1 国内外p d i c 的简单对照 参考文献发表适用 工艺主要指标 产品型号时间类型 2 0 0 9 6 p 烈，功耗1 1 0 m w , 6 5 0 n m 响应度 s m 6 2 6 a 5 】 b i c m o sd v d 年 2 8 5 m v g r n ，宽为8 0 m h z 国 2 0 0 6 6 n + n w e l l p s u b ，功耗约5 0 m w ，7 8 0b i n 内 【1 7 c m o sc d 年响应度31 1 7 q 2 4 7 m v u w 2 0 0 5 6 p 矾，功耗1 0 0 m w , 7 8 0n l l l 响应度3 6m v s m 5 2 5 a 1 6 】b i p o l a r c d 年 l u n ，带宽为8 m h z 2 1 6 p 烈，功耗约2 0 0 r o w ，6 5 0 r i m 、7 8 0 a m 响 v c d ， 【1 1 】c m o s 年应度分别为3 3 4m w p w 、11 9m v p w d v d 2 0 0 9 4 0 5 r i m 、5 v 电压下响应度为2 2 m v 舢w ； h d d v d 【2 8 】 b i c m o s 年高频带宽1 6 3 m h z ；功耗11 5 m w d n d | c d 8 p i n ，功耗3 0 0 r o w ，6 5 0 h m 相应度 2 5h d d v d 【2 4 】 b i c m 0 l s10 0 m v a w ，t i a 增益13 0 t 淞2 7 0 1 g q 带 年 d v d c d 国 宽2 6 0 m h z 外 2 0 0 34 - 背电极p i n ，5 v 供电功耗5 3 r o w ，增益 【2 9 c m o s d v d 年 2 4 m v l a w ，带宽1 4 7 m h z 2 0 0 2 8 s p b n d n w - p d ，5 v 供电功耗1 5 0 h d d v d 【3 0 b i c m o s 年3 5 0 r o w ，带宽2 5 0m n z d v d c d b c d 工艺下d v d 光学头中单片集成p d i c 的研制 1 3 自制单片集成p d i c 的设计 本文采用的是六象限光电探测器阵列的p d i c ，如图1 3 所示。图中六个反 偏连接的二极管分别表示光电探测器彳，。其后紧跟着各光电探测器支路的电 流一电压前置放大器。此外，还有求和运算放大器用于信号求和。彳俐为各 支路的电压输出；和分别为电源电压和参考电压；g n d 为信号地；脚乙 为读出射频信号，即魁0 = + b 删+ c 咖+ d 刚。 1 3 1p d i c 的功能 图l - 3p d i c 示意图 光盘是以沿螺旋形轨迹排列的不同长度的凹坑和间隔来表示信息内容的。对 于d v d 最小坑长0 4 岬、信息坑宽0 3 岬、螺旋轨迹间距o 7 4 1 t m ，如图1 4 所示。 激光头从光盘上进行信息检测时，利用激光二极管发出的激光束经过一系列光学 部件整形，包括光栅、准直透镜、反射镜、全息板、1 4 波长板、分光棱镜等， 最后经物镜聚焦成极细的光束，垂直照射到光盘上，扫描高速旋转的光盘信息表 面，反射光束沿一定的光路照射到光检测器p d ( p h o t od e t e c t o r ) 上，从p d 输出的 强弱有别的信号经后续放大与处理后，获得记录在光盘上的“0 ”、“l ”信息流，形 6 第一章绪论 成r f ( r a d i o f r e q u e n e y ) 信号，经后端一系列处理后得到图像及声音信号3 1 3 扪。 一口口固一 t 问歪 图1 - 4d v d 信息坑槽结构 p d i c 包含p d ( p h o t od e t e c t o r ) 阵列和i c ( i n t e g r a t e dc i r c u i 0 两部分，前端 的光电探测器阵列把光信号转换成微弱的光电流信号；后端是前置放大电路，可 把光电流信号转换成电压信号并放大到所需要的幅度。它是光盘存储系统光学头 中的关键元件【l i j 。 p d i c 另外一个功能是提供聚焦误差( f e s ) 和循迹误差信号( t e s ) ，以及 光盘存储的射频信号( 1 江s ) 【。实际工作中由于光盘的偏心，主轴电机轴的不 同心度等原因，将引起盘片在旋转的过程中，沿盘片径向抖动；而且，由于信息 纹是按螺旋方式存放的，这就意味着光盘在旋转的过程中，信息纹离盘中心的半 径也在变化。为了可靠地从光盘上读取数据，使光束正好落在信息纹上，p d i c 检测光信号的同时还必须提供光束方向的聚焦误差信号( f o c u se r r o rs i g n a l ， f e s ) 和在信息道上的循迹误差信号( t r a c k i n ge r r o rs i g n a l ，t e s ) 。 在p d i c 中正常工作时，利用a 国四个光电探测器来实现l 强信号的读取， 为上述四个象限输出之和，即脚乙= 如+ + + 。而聚焦误差信号 ( f e s ) 检测方法有：像散法、刀口法、临界角法、富科棱镜法、光斑大小法等。 像散法是最常用的聚焦误差检测方法。它是利用像散元件，把物镜离焦量的变化 转变为不同方向光能的变化，经光电检测器得到误差信号。图1 5 为像散法的原 理示意图，四象限光检测器p d 的位置必须很精确，以保证在正焦时反射光斑在 p d 上形成圆形，此时聚焦误差信f e ( f o c u se r r o r ) 输出为零；在近焦点及远 焦点情况下，p d 上的光斑形状发生变化变成椭圆 n i l 3 5 1 。 为了检测出光束在信息纹上的能最偏差，采用的寻迹误差信号检测方法有三 7 b c d 工艺下d v d 光学头中单片集成p d i c 的研制 光束法、推挽法、衍射推挽法、相位差法、差动推挽法、波动法、外相差法等。 正焦 远焦口 聚焦误差 f e 日o 聚焦误差 f e 罩o 聚焦误差 f e ) o 图l - 5 像散法原理示意图 在d v d 中一般采用相位差分法( d i f f e r e n t i a lp h a s ed e t e c t i o n ，d p d ) 。该方法检 测a d 四个光电探测器中两组对角输出的相位差，光斑在信息纹上移动时，根 据t e s = a o t ( a + o p + d ) 】的大小，检测出寻迹误差信号t e ，由此控制寻迹 线圈驱动电流，达到正确寻迹的目的。 1 3 2p d i c 的设计指标 根据现有的相关产品说明书1 5 】【3 5 】【3 6 1 ，确定了本文p d i c 的相关的性能指标如 表1 2 和1 3 所示： 表1 2p d i c 极限参数( t a = 2 5 。c ) 参数名称符号 数值( 室温) 单位 供电电压 v d d6v 允许功耗 p 01 5 0m w 工作温度 t 0 p 1 2 0 7 0 储存温度 t s t g 一4 0 一8 5o c 表1 3p d i c 电气参数( 名= 6 5 0 n m ，r = l o 施，c = 1 0 p ) 参数名称符号 测试条件 m i n t y p m a x 单位 供电电压v d d4 55 5 5 v 参考电压 v 陀f2 4 2 52 6 v 8 碜砂砂 第一章绪论 v o fb d ，p 尸l o 州 2 0 02 5 03 输出电压 m v v o r b - f ，p i - l o “w 4 0 04 5 05 ld ，p 产l o 州 2 02 53 0 响应度 m v l i w kb 市，p 严l o | i w 4 04 55 0 输出失调电压 v 晴a f p , - - 0 2 0 o+ 2 0m v 最大输出电压v o m xa - f ，p i - 1 0 0 p w 4 ov a d ，f = 1 0 0 k h z ，- 3 d b 2 03 5 频率响应m h z e 市，f = 1 0 0 k h z ，- 3 d b 24 f - - 4 m h z ，r b w - - 3 0 k ， 输出噪声 7 0d b m v b w = 1 0 0 h z ，p i = 0 1 3 3 单片集成p d i c 研究意义 目前，国内生产的d v d 产品，凭借低廉的生产成本，己在国际d v d 市场 占据了很大的市场份额。国际d v d 市场的一半以上产品来自中国，为名副其实 的世界d v di 厂。但是d v d 产品中用到的关键技术主要由日本的索尼、东芝、 n e c 、松下以及荷兰的飞利浦等国外大公司所垄断，很多商用芯片绝大部分依赖 进口，p d i c 更几乎还是空白。国内d v d 生产商大部分利润用于缴纳核心技术 的专利费，要摆脱这种窘境，p d i c 国产化很有必要。 虽然蓝光d v d 已经慢慢占据d v d 市场，但由于价格问题国内红光d v d 还会 继续存在。本文利用低成本的0 5 1 1 m b c d i 艺研制单片集成的p d i c ，对于p d i c 芯片国产化，打破国外公司的垄断，具有重要的现实意义。对蓝光d v d 的研究 开发，也具有一定的指导作用。 同时6 5 0 n m 光电探测器除了在d v d 光盘应用外，其他方面还有着相当广泛的 应用。比如：6 5 0 r i m 塑料光纤通信中作为光接收探测器；用于6 5 0 r i m 激光器的光 功率自动控制电路中的激光信号探测；可以用作条形码等的光学读取头；医疗方 面，激光经皮肤照射静脉血液的治疗仪中也采用了6 5 0 n m 光电探测器。因此，单 片集成p d i c 的研究对于这些方面的应用研究也有定的参考作用。 9 b c d 工艺下i ) v o 光学头中单片集成p d i c 的研制 1 4 本文主要内容 本文讨论了硅基单片集成p d i c 检测芯片的研制。根据课题研究内容，本文 的主要工作和其它章节的主要内容安排如下： 第二章：分析光电探测器的工作原理并设计与b c d - v 艺兼容的p i n 光电探测 器。 第三章：介绍各种前置放大器种类与结构，重点讨论负反馈跨阻放大器。设 计和分析用于p d i c 的跨阻放大器结构， 第四章：分析了l d o 的工作原理， 在此基础上s p c t r e 软件进行模拟仿真。 重点讨论了其核心模块的设计。 第五章：针对设计的光电集成电路进行版图设计，特别介绍了整个版图设计 流程中需要注意的问题和设计技巧。 第六章：对流片回来的o e i c 芯片进行简单的透明封装与r o s a 封装，进行 了各种测试。 第七章：总结本文的主要工作，展望本文工作成果的意义，并提出今后进一 步的研究和完善的方向。 1 0 第一章绪论 参考文献 【l 】徐端颐光盘存储系统设计原理【m 】北京：国防工业出版社，2 0 0 0 【2 】骆志坚，李旭鹏d v d 简介【j 】电声技术，2 0 0 2 ，3 ：4 9 5 1 【3 】张善锋d v d 聚焦控制和信号处理电路板的设计 d 】大连：大连理工大学， 2 0 0 5 4 】4 刘宪坤下一代d v d 展望 j 】电视技术，2 0 0 4 ，1 2 ：7 11 【5 】m a e d at o p t i c a ld i s ks y s t e mu s i n gb l u e - v i o l e tl a s e r j o p t i c a lm e m o r ya n d o p t i c a ld a t as t o r a g et o p i c a lm e e t i n g 2 0 0 2 ，4 2 2 4 2 4 【6 】k o b o t at h dd v do v e r v i e wo fn e x tg e n e r a t i o no p t i c a ld i s cf o r m a t j i tt oh d ， 2 0 0 4 ：2 1 3 2 2 4 【7 】s h i b a t o k ot ，o h k u b os ，i d et e ta 1 o p t i c a lh e a da n d o p t i c a ld i s kt e c h n o l o g i e sf o r h dd v d j c o m s u m e re l e c t r o n i c s ，2 0 0 5 ：l l 1 2 【8 】卓辉立d v d 激光头技术简介【j 】山东电子，2 0 0 5 ，3 ：3 9 - 4 1 【9 】陈弘达微电子与光电子集成技术【m 】北京：电子工业出版社，2 0 0 8 ：9 1 0 1 0 】叶玉堂，饶建珍等光学教程【m 】北京：清华大学出版社，2 0 0 5 ：4 8 6 - 4 8 9 【l l 】梁恩主，郑婉华等新型d v d v c d 光学头用p d i c 的研制【j 】半导体光电， 2 0 0 1 ，2 2 ( 5 ) ：3 4 7 - 3 5 0 【1 2 】梁恩主d v d 光学头用p d i c 的研制与测试【d 】北京：中国科学院半导体研 究所，2 0 0 1 【1 3 】胡海军，李挥，张政操等一种新型d v d 激光读取头光电检测集成电路的 研制【j 】半导体光电，2 0 0 8 ，2 9 ( 6 ) ：8 3 9 8 4 3 【1 4 】安杰，邳雪松，李挥等用于p d i c 的跨阻放大器的优化设计【j 】半导体光 电，2 0 0 9 ，3 0 ( 5 ) ：6 6 0 - 6 6 2 【l5 】杭州士兰光电s m 6 2 5 a x x z 】2 0 0 9 【l6 】杭州士兰光电s m 5 2 5 a x x z 2 0 0 5 【1 7 】卞剑涛单片集成光盘信号探测放大芯片( p d i c ) 的研制【d 】厦门： 厦门大学，2 0 0 6 【l8 】t a k a h i r ot a k i m o t o ，n a o k if u k u n a g a ，e ta 1 h i g hs p e e ds i o e i c ( o p i c ) f o r o p t i c a lp i c k u p j i e e et r a n s a c t i o no nc o n s u m e re l e c t r o n i c s ，19 9 8 ，4 4 ( 1 ) ：13 7 一 l l 1 4 2 b e d 工艺下d v d 光学头中单片集成p d i c 的研制 【19 】m o t o h i k oy a m a m o t o ，m a s a mk u b o ，e ta 1 s i - o e i cw i t hb u i l t ，i np i n p h o t o d i o d e 【j 】i e e et r a n s a c t i o no ne l e c t r o nd e v i c e s ，1 9 9 5 ，4 2 ( 1 ) ：5 8 6 3 2 0 】h z i m m e r m a n n m o n o l i t h i cb i p o l a r , c m o sa n db i c m o sr e c i v e ro e i c s j i e e e ，1 9 9 9 ：3 l - 4 0 2l 】a g h a z i ，t h e i d e ，e ta 1 c m o sp i nf i b e rr e c e i v e ra n dd v do e i c j i e e e p r o e e d m o 9 9 ，1 9 9 9 ：1 0 8 一1 1 2 2 2 】a g h a z i ，t h e i d e ，e ta 1 d