CN102394609B

CN102394609B - 一种窄脉冲电压放大器

Info

Publication number: CN102394609B
Application number: CN201110327258.9A
Authority: CN
Inventors: 白涛
Original assignee: China North Industries Group Corp No 214 Research Institute Suzhou R&D Center
Current assignee: China North Industries Group Corp No 214 Research Institute Suzhou R&D Center
Priority date: 2011-10-25
Filing date: 2011-10-25
Publication date: 2014-06-18
Anticipated expiration: 2031-10-25
Also published as: CN102394609A

Abstract

本发明涉及一种窄脉冲电压放大器，其包括：电流放大器，其用于放大输入窄脉冲信号的脉冲幅度；电压缓冲器，其用于调整或提高整个放大器回路中的驱动电流能力并输出信号；所述的电压缓冲器的输入端连接至所述的电流放大器的输出端；反馈电路，其用于稳定并控制整个放大器回路的增益；所述的反馈电路的输入端连接至所述的电流放大器的输出端，其输出端连接至所述的电流放大器的输入端。本发明通过窄脉冲电压放大器代替环通的厚膜工艺电路来实现高频和大动态范围的特性。能够对微弱的窄脉冲信号进行放大，具有良好的线性输入范围。

Description

一种窄脉冲电压放大器

技术领域

本发明涉及集成电路领域，特别是涉及一种窄脉冲电压放大器。

背景技术

四象限光电探测器由四个光电探测器构成，每个探测器一个象限，目标光信号经光学系统后在四象限光电探测器上成像。四象限探测器以其响应频率快、响应波长宽、灵敏度高和工作温度范围大等优点得到越来越广泛的应用，激光引导头，激光经纬仪等光电跟踪仪器中常用四象限探测器作为光电传感器探测目标方位。

在四象限激光探测系统中，当光信号功率较小时，光电探测器输出的电信号输出也比较小，有时甚至十分微弱，仅为ns量级的窄脉冲，高速AD也难以捕捉到窄脉冲的幅值，所以要对其放大处理。为了信号处理的需要，一般要跟随前置脉冲放大器，除了要对光电二极管各个参数进行合理的选择外，放大器的设计也是影响探测器性能的重要因素。

目前的四象限探测器前端信号处理电路中的前置放大器都是在陶瓷基板上集成通用器件及电容电阻，即采用厚膜工艺来实现。此类电路功耗高、体积大，不利于集成并且抗干扰能力不强。文献“四象限红外探测器信号处理系统”（陈社，徐秀芳，刘银年科学技术与工程，2009，6（5）:611-615）介绍了采用放大器对窄脉冲进行放大的方法。其中选择器件op07或AD632为放大器的核心组件，外围则为μF级别的大电容。但电路对输入脉冲宽度要求大于10ns，且功耗电流都在5mA以上，体积相对很大，不能量产，整体性能严重受通用核心器件的制约。

采用大规模集成电路技术研制四象限探测器前端信号处理电路芯片，可以缩小控制系统的体积、减轻重量、降低功耗、提高抗干扰能力、增加可靠性和使用的灵活性等优点，因此具有及其重要的实际意义。其中，设计合理的高速、宽带前置窄脉冲放大电路，对脉宽为纳秒级的激光脉冲实现不失真放大具有非常重要的意义。

发明内容

本发明目的是提供一种窄脉冲电压放大器，应用于四象限光电探测器系统。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种窄脉冲电压放大器，其包括：

电流放大器，其用于放大输入窄脉冲信号的脉冲幅度；

电压缓冲器，其用于调整或提高整个放大器回路中的驱动电流能力并输出信号；所述的电压缓冲器的输入端连接至所述的电流放大器的输出端；

反馈电路，其用于稳定并控制整个放大器回路的增益；所述的反馈电路的输入端连接至所述的电流放大器的输出端，其输出端连接至所述的电流放大器的输入端。

优选地，所述的窄脉冲电压放大器还包括偏置电路，其用于为放大器回路中的负载提供偏置电压。

进一步优选地，所述的偏置电路包括偏置电阻、偏置电容以及第一晶体MOS管（M1），所述的偏置电阻一端连接外接电源，另一端连接至所述的偏置电容的一端，偏置电容的另一端接地；所述的第一晶体MOS管（M1）的漏极连接至偏置电阻与偏置电容之间，其源极接地，其栅极为所述的偏置电压输出端。

进一步优选地，所述的电流放大器包括：第二MOS晶体管（M2）、第三MOS晶体管（M3）、第四MOS晶体管（M4）以及第五MOS晶体管（M5），所述的第二MOS晶体管（M2）的源极连接输入信号，其漏极连接至所述的第三MOS晶体管（M3）的漏极，其栅极连接至所述的偏置电压输出端；所述的第三MOS晶体管（M3）的栅极连接至所述的第四MOS晶体管（M4）的栅极，其源极连接外接电源；所述的第四MOS晶体管（M4）的漏极连接至所述的第五MOS晶体管（M5）的漏极，其源极连接外接电源；所述的第五MOS晶体管（M5）的栅极连接至所述的偏置电压输出端，其源极接地；所述的电流放大器的输出端从所述的第四MOS晶体管（M4）的漏极与第五MOS晶体管（M5）的漏极之间引出。

进一步优选地，所述的第二MOS晶体管（M2）、第五MOS晶体管（M5）为NMOS晶体管；所述的第三MOS晶体管（M3）、第四MOS晶体管（M4）为PMOS晶体管。

进一步优选地，所述的电压缓冲器包括：MOS晶体管（M0）、第六MOS晶体管（M6），所述的MOS晶体管（M0）的栅极连接至所述的电流放大器的输出端，其源极连接至所述的第六MOS晶体管（M6）的漏极，其漏极连接外接电源；所述的第六MOS晶体管（M6）的栅极连接至所述的偏置电压输出端，其源极接地；输出信号从所述的MOS晶体管（M0）的源极与第六MOS晶体管（M6）的漏极之间引出。

进一步优选地，所述的电压缓冲器包括：NPN晶体管（Q0）、第六MOS晶体管（M6），所述的NPN晶体管（Q0）的基极连接至所述的电流放大器的输出端，其发射极连接至所述的第六MOS晶体管（M6）的漏极，其集电极连接外接电源；所述的第六MOS晶体管（M6）的栅极连接至所述的偏置电压输出端，其源极接地；输出信号从所述的NPN晶体管（Q0）的发射极与第六MOS晶体管（M6）的漏极之间引出。

优选地，所述的反馈电路包括：输入电阻和反馈电阻，所述的输入电阻的一端连接输入信号，另一端连接至所述的电流放大器的输入端；所述的反馈电阻的一端连接至所述的电流放大器的输出端，另一端连接至所述的电流放大器的输入端。

本发明在集成电路双阱COMS工艺下实现了激光探测系统中四象限探测器前端信号处理电路的窄脉冲电压放大器，代替传统的厚膜工艺电路。

如图1所示：设电流放大器的输出电流i₀：

i₀=-A_i(s)*(i₁)=i_in-i₁ （1）

\frac{i_{0}}{i_{in}} = - \frac{A_{i} (s)}{1 + A_{i} (s)} - - - (2)

又因为v_out=i₀R₂且v_in=i_inR₁，解电压增益为：

\frac{v_{out}}{v_{in}} = - \frac{R_{2}}{R_{1}} \frac{A_{i} (s)}{1 + A_{i} (s)} - - - (3)

采用单极点模式来表示A_i(s)：

A_{i} (s) = \frac{A_{0}}{s / w_{A} + 1} - - - (4)

w_A是Ai(s)的单极点频率值，A₀是电流放大器的直流增益，把（4）带入（3）得到：

\frac{v_{out}}{v_{in}} = - \frac{R_{2}}{R_{1}} \frac{A_{0}}{1 + A_{0}} \frac{w_{A} (1 + A_{0})}{s + w_{A} (1 + A_{0})} - - - (5)

系统（窄脉冲放大器）的电压增益为：

A_{v} (0) = - \frac{R_{2}}{R_{1}} \frac{A_{0}}{1 + A_{0}} - - - (6)

系统的-3dB频率为：

w_-3dB=w_A(1+A₀) （7）

由（7）可见，此电流反馈的-3dB带宽频率是恒定的，不是R2或R1的函数，它只由电流放大器的w_A特性决定，因而具有非常高的-3dB带宽，并且其电流不受限于电源电压，所以能够在低电源下具有更宽的动态范围。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点和效果：

本发明通过窄脉冲电压放大器代替环通的厚膜工艺电路来实现高频和大动态范围的特性。能够对微弱的窄脉冲信号进行放大，具有良好的线性输入范围。

附图说明

附图1为本发明的窄脉冲电压放大器结构框图；

附图2为本发明中实施例一的电路图；

附图3为本发明中实施例二的电路图；

附图4为本发明的窄脉冲电压放大器的幅频特性曲线图；

附图5本本发明的窄脉冲电压放大器的瞬态特性图。

其中：1、电流放大器；2、电压缓冲器；3、偏置电路；4、反馈电路。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

实施例一：

如图2所示，在本实施例中：

R3、M1和C1构成偏置电路3：其中：R3一端连接外接电源，另一端连接至C1的一端，C1的另一端接地；M1的漏极连接至R3与C1之间，其源极接地，其栅极为偏置电压输出端；

M2、M3、M4和M5构成电流放大器1：其中：M2的源极连接输入信号，即为电流放大器1的输入端，其漏极连接至M3的漏极，其栅极连接至偏置电路3的输出端、M1的栅极；M3的栅极连接至M4的栅极，其源极连接外接电源；M4的漏极连接至M5的漏极，其源极连接外接电源；M5的栅极连接至偏置电路3的输出端、M1的栅极，其源极接地；电流放大器1的输出端从M4的漏极与M5的漏极之间引出；

M0和M6构成电压缓冲器2：其中：M0的栅极连接至电流放大器1的输出端，其源极连接至M6的漏极，其漏极连接外接电源；M6的栅极连接至偏置电压输出端、M1的栅极，其源极接地；输出信号从M0源极与M6漏极之间引出；

R1和R2构成反馈电路4；其中：R1的一端连接输入信号，另一端连接至电流放大器1的输入端；R2的一端连接至M0源极与M6漏极之间，另一端连接至电流放大器1的输入端。

由（7）可知，其-3dB带宽由电流放大器决定。通过R1、R2和M2构成负反馈使电流放大器的输入级具有极低的输入阻抗：（1/(gm2(1+R2/R1))），因此电流放大器的输入极点B不再是主极点，而是转移到M4的漏级，即A1点处。因此A1点的-3dB带宽即为窄脉冲电压放大器的-3dB带宽。

设A1点的寄生电容为CA，M4和M5的源漏电阻分别为ro4和ro5，M0的栅极阻抗为G0，A1点的-3dB带宽为w1-3dB：

{w 1}_{- 3 dB} = \frac{1}{2 π ({r 0}_{4} / / {r 0}_{5} / / G_{0}) C_{A}} - - - (8)

由于G0〉〉ro4，G0〉〉ro5，所以（8）近似为（9）。

{w 1}_{- 3 dB} = \frac{1}{2 π ({r 0}_{4} / / {r 0}_{5}) C_{A}} - - - (9)

实施例二：

如图3所示，本实施例与实施例一基本相同，不同之处在于：

Q0和M6构成电压缓冲器2：其中：Q0的基极连接至电流放大器1的输出端，其发射极连接至M6的漏极，其集电极连接外接电源；M6的栅极连接至偏置电路3的输出端，其源极接地；输出信号从Q0的发射极与M6的漏极之间引出。

本实施例中使用衬底NPN晶体管Q0代替图2中的MOS晶体管M0，设晶体管Q0的基极电阻为r0，A2点的-3dB带宽为w2-3dB：

{w 2}_{- 3 dB} = \frac{1}{2 π ({r 0}_{4} / / {r 0}_{5} / / r_{0}) C_{A}} - - - (10)

因为三极管的基极电阻r0要小于M4和M5的源漏电阻ro4和ro5，即r0<ro4，r0<ro5。所以有

{w 1}_{- 3 dB} = \frac{1}{2 π ({r 0}_{4} / / {r 0}_{5}) C_{A}} < {w 2}_{- 3 dB} = \frac{1}{2 π ({r 0}_{4} / / {r 0}_{5} / / r_{0}) C_{A}} - - - (11)

因此频率得到了较大的改善，增加了脉冲电压放大器-3dB带宽。

实施例一中放大器的最大输出电压为：

V_MAX1=V_CC-V_DS4-V_GS0 （12）

实施例二中放大器的最大输出电压为：

V_MAX2=V_CC-V_DS4-V_be0 （13）

V_MAX2-V_MAX1=V_GS0-V_be0=V_OD0+V_TH0-V_be0 （14）

上式中，V_DS4为晶体管M4的源漏压降，V_OD0为MOS管M0的过饱和压降，V_be0为三极管Q0的BE结电压。

V_MAX2-V_MAX2=V_OD0+V_TH0-V_be0≈V_OD0 （15）

对于中等电流大小的晶体管M0，V_OD0通常为200～300mV。

由（15）知，实施例二中放大器的摆幅大于脉冲放大器1的摆幅，即增加了脉冲放大器的线性输入范围。

图4给出了本发明窄脉冲放大器的幅频特性曲线：设R2/R1=6，则AV(0)=6即低频增益约为6倍，实施例一中放大器的-3dB带宽为可达44MHz，在使用实施例二中放大器后，其-3dB带宽高达到为55MHz，增加了近11MHz，进一步扩展了频带，有利于窄脉冲的放大。

图5给出了窄脉冲电压放大器的瞬态特性：对于8ns窄脉冲，实际放大倍数为5.95；对于10ns的窄脉冲，实际放大倍数为5.98，可见放大器对窄脉冲实现了良好的线性放大。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种窄脉冲电压放大器，其特征在于：其包括：

偏置电路，其用于为放大器回路中的负载提供偏置电压，所述的偏置电路包括偏置电阻、偏置电容以及第一晶体MOS管（M1），所述的偏置电阻一端连接外接电源，另一端连接至所述的偏置电容的一端，偏置电容的另一端接地；所述的第一晶体MOS管（M1）的漏极连接至偏置电阻与偏置电容之间，其源极接地，其栅极为偏置电压输出端；

电流放大器，其用于放大输入窄脉冲信号的脉冲幅度，所述的电流放大器包括：第二MOS晶体管（M2）、第三MOS晶体管（M3）、第四MOS晶体管（M4）以及第五MOS晶体管（M5），所述的第二MOS晶体管（M2）的源极连接输入信号，其漏极连接至所述的第三MOS晶体管（M3）的漏极，其栅极连接至所述的偏置电压输出端；所述的第三MOS晶体管（M3）的栅极连接至所述的第四MOS晶体管（M4）的栅极，其源极连接外接电源；所述的第四MOS晶体管（M4）的漏极连接至所述的第五MOS晶体管（M5）的漏极，其源极连接外接电源；所述的第五MOS晶体管（M5）的栅极连接至所述的偏置电压输出端，其源极接地；所述的电流放大器的输出端从所述的第四MOS晶体管（M4）的漏极与第五MOS晶体管（M5）的漏极之间引出；

2.根据权利要求1所述的一种窄脉冲电压放大器，其特征在于：所述的电压缓冲器包括：MOS晶体管（M0）、第六MOS晶体管（M6），所述的MOS晶体管（M0）的栅极连接至所述的电流放大器的输出端，其源极连接至所述的第六MOS晶体管（M6）的漏极，其漏极连接外接电源；所述的第六MOS晶体管（M6）的栅极连接至所述的偏置电压输出端，其源极接地；输出信号从所述的MOS晶体管（M0）的源极与第六MOS晶体管（M6）的漏极之间引出。

3.根据权利要求1所述的一种窄脉冲电压放大器，其特征在于：所述的电压缓冲器包括：NPN晶体管（Q0）、第六MOS晶体管（M6），所述的NPN晶体管（Q0）的基极连接至所述的电流放大器的输出端，其发射极连接至所述的第六MOS晶体管（M6）的漏极，其集电极连接外接电源；所述的第六MOS晶体管（M6）的栅极连接至所述的偏置电压输出端，其源极接地；输出信号从所述的NPN晶体管（Q0）的发射极与第六MOS晶体管（M6）的漏极之间引出。

4.根据权利要求1所示的一种窄脉冲电压放大器，其特征在于：所述的第二MOS晶体管（M2）、第五MOS晶体管（M5）为NMOS晶体管；所述的第三MOS晶体管（M3）、第四MOS晶体管（M4）为PMOS晶体管。

5.根据权利要求1所述的一种窄脉冲电压放大器，其特征在于：所述的反馈电路包括：输入电阻和反馈电阻，所述的输入电阻的一端连接输入信号，另一端连接至所述的电流放大器的输入端；所述的反馈电阻的一端连接至所述的电流放大器的输出端，另一端连接至所述的电流放大器的输入端。