CN107666287A - 可变增益跨阻放大器 - Google Patents

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马瑞
刘马良
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Abstract

本发明涉及一种可变增益跨阻放大器，包括：电流镜预放大器(101)、高通滤波器(102)及后电压放大器(103)；其中，所述高通滤波器(102)分别电连接所述电流镜预放大器(101)和所述后电压放大器(103)；所述电流镜预放大器(101)和所述后电压放大器(103)并接于电源端(VDD)和接地端(GND)之间。本发明通过在电流镜预放大器中引入了电位平移器(M5)，与传统的电流镜放大器相比，该电位平移器既保证了输出摆幅，也提高了电流复制的精度和电路线性度，降低了输入阻抗；本发明具有低功耗，带宽大，输出电压，摆幅大增益可调节等优点。

Description

可变增益跨阻放大器
技术领域
本发明属于光信号接收系统技术领域，具体涉及一种可变增益跨阻放大器。
背景技术
1960年，世界第一台激光器问世；1961年，激光器首次被用于测距系统。由于激光具有高准直性、高单色性、高功率密度和高相干性等一系列优良的光学性能，因此，将其应用于不同场景、不同范围的测距技术不断地推陈出新。从小至接近激光波长的微米级范围、厘米级的物体形状和距离、数公里到数十公里的目标物距离、大到地球与卫星甚至月球之间的距离，都可以利用激光来精确测量。而且随着科技的发展，激光雷达的应用范围越来越广泛，譬如汽车或航天器的导航与防撞、三维空间概貌扫描、气象侦测以及地质检测等。
目前，无人驾驶汽车的主要研究机构如谷歌、福特、百度等均采用扫描式激光雷达来收集数据。在汽车高速行驶时，通过激光雷达实时扫描两车之间的距离和相对速度，为行车系统提供障碍物信息，可以降低事故发生的概率。
激光雷达是利用激光发射器发出激光照射在被探测的物体上，由目标物反射回的激光回波被工作在线性模式的雪崩光电二极管接收并转换为电流信号，再由前端模拟接收器将雪崩光电二极管产生的脉冲电流线性地转换为电压信号，然后利用时间数字转化电路得出脉冲的飞行时间信息，或者由模数转换器采集回波脉冲的幅值，最后提供给后续的数字信号处理器做进一步处理。一方面，因为目标物的探测距离和表面反射率的不同由目标物反射回的激光回波的强度变化范围非常大，因此要求激光雷达光信号接收机前端接收放大器电路接收范围非常大且增益可动态调节。另一方面，目前的脉冲波激光雷达已经由最初的单通道探测，发展为多线列扫描式探测，甚至大面阵探测。在单通道探测时代，利用分离的元器件即可完成前端接收器的搭建，然而，随着多线列/大面阵探测的发展，已经出现了64线列扫描探测，虽然增加激光扫描的线列数可以有效提高激光雷达的角度分辨率，但是前端接收器的规模和功耗也将成倍的增长，因此要求激光雷达光信号接收机前端接收放大器电路集成化高且功耗非常低。
因此提供一种范围更大、功耗更低的可变增益跨阻放大器变的尤为重要。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提出一种可变增益跨阻放大器及方法。
具体地，本发明的一个实施例提供了一种可变增益跨阻放大器，包括：电流镜预放大器101、高通滤波器102及后电压放大器103；其中，
所述高通滤波器102分别电连接所述电流镜预放大器101和所述后电压放大器103；所述电流镜预放大器101和所述后电压放大器103并接于电源端VDD和接地端GND之间。
在本发明的一个实施例中，所述电流镜预放大器101包括第一电流源Ib1、第二电流源Ib2、第一NMOS管M1、第二NMOS管M2、第三NMOS管M3、第四NMOS管M4、电位平移器1011、可控电流源1012以及可变电阻单元1013；其中，
所述第一电流源Ib1、所述第一NMOS管M1以及所述第二NMOS管M2串接于所述电源端VDD和所述接地端GND之间；所述电位平移器1011和所述第二电流源Ib2串接于所述电源端VDD和所述接地端GND之间；所述可变电阻单元1013、所述第三NMOS管M3以及所述第四NMOS管M4串接于所述电源端VDD和所述接地端GND之间；所述第一NMOS管M1和所述第三NMOS管M3的栅极均电连接至偏置电压端Vb；所述电位平移器M5的栅极电连接至所述第一电流源Ib1和所述第一NMOS管M1串接形成的节点A处；所述第二NMOS管M2和所述第四NMOS管M4的栅极电连接至所述电位平移器M5和所述第二电流源Ib2串接形成的节点B处；
所述节点(B)、所述第三NMOS管(M3)的栅极、所述接地端(GND)以及所述可变电阻单元(1013)和所述第三NMOS管(M3)串接形成的节点(C)均电连接所述可控电流源(1012)。。
在本发明的一个实施例中，所述电位平移器1011为第五NMOS管M5。
在本发明的一个实施例中，所述可变电阻单元1013为可变电阻RL。
在本发明的一个实施例中，所述可变电阻单元1013包括：第一开关管K1、第二开关管K2、第三开关管K3、第四开关管K4、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3以及第四电阻R4；其中，所述第一开关管K1和所述第一电阻R1、所述第二开关管K2和所述第二电阻R2、所述第三开关管K3和所述第三电阻R3以及所述第四开关管K4和所述第四电阻R4均串接于所述电源端VDD和所述第三NMOS管M3的漏极之间。
在本发明的一个实施例中，所述可控电流源1012包括：第六NMOS管M6、第七NMOS管M7以及第五开关管K5；其中，
所述第六NMOS管M6、所述第七NMOS管M7以及所述第五开关管K5依次串接于所述节点C和所述接地端GND之间；所述第六NMOS管M6的栅极电连接至所述第三NMOS管M3的栅极；所述第七NMOS管M7的栅极电连接至所述节点B处。
在本发明的一个实施例中，所述可控电流源1012还包括：第八NMOS管M8、第九NMOS管M9以及第六开关管K6；其中，
所述第八NMOS管M8、所述第九NMOS管M9以及所述及第六开关管K6依次串接于所述节点C和所述接地端GND之间；所述第八NMOS管M8的栅极电连接至所述第三NMOS管M3的栅极；所述第九NMOS管M9的栅极电连接至所述节点B处。
在本发明的一个实施例中，所述高通滤波器102包括电容CH和第五电阻RH，其中，所述电容CH的两端分别电连接所述第三NMOS管M3的漏极和所述第五电阻RH的一端；所述第五电阻RH的另一端电连接共模电压VC端。
在本发明的一个实施例中，所述后电压放大器103包括第十NMOS管M10和PMOS管M11；其中，所述第十NMOS管M10和所述PMOS管M11串接于所述电源端VDD和所述接地端GND之间；所述PMOS管M11的栅极电连接至电容CH和第五电阻RH连接形成的节点处。
在本发明的一个实施例中，所述第十NMOS管M10的栅极电连接至所述第十NMOS管M10的漏极。
本发明的有益效果在于：
1、本发明在电流镜预放大器中引入了电位平移器M5。与传统的电流镜放大器相比，该电位平移器既保证了输出摆幅，也提高了电流复制的精度和电路线性度，降低了输入阻抗；同时，通过可变电阻RL和可控电流源Ib调节跨阻放大器增益在很大的范围变化
2、本发明中预放大器级联了一个C-R高通滤波器(由电容CH和电阻RH组成)，这样可以隔离前置放大器的输出共模漂移对后级输入共模的影响，保证了电路的稳定性；
3、本发明中后电压放大器是一个带二极管接法做负载的共源放大器，保证了增益的提高；
4、本发明具有低功耗，带宽大，输出电压，摆幅大增益可调节等优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种可变增益跨阻放大器逻辑结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种可变增益跨阻放大器拓扑结构示意图；
图3为本发明实施例提供的另一种可变增益跨阻放大器电路结构示意图；
图4为本发明实施例提供的一种传统的电流镜放大器拓扑结构示意图；
图5为本发明实施例提供的一种带有电位平移器的电流镜放大器拓扑结构示意图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
实施例一
请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种可变增益跨阻放大器逻辑结构示意图，包括：电流镜预放大器101、高通滤波器102及后电压放大器103；其中，所述高通滤波器102分别电连接所述电流镜预放大器101和所述后电压放大器103。
优选地，所述电流镜预放大器101和所述后电压放大器103并接于电源端VDD和接地端GND之间。
请参见图2，图2为本发明实施例提供的一种可变增益跨阻放大器拓扑结构示意图，具体地，所述电流镜预放大器101包括第一电流源Ib1、第二电流源Ib2、第一NMOS管M1、第二NMOS管M2、第三NMOS管M3、第四NMOS管M4、电位平移器1011、可控电流源1012以及可变电阻单元1013；其中，
所述第一电流源Ib1、所述第一NMOS管M1以及所述第二NMOS管M2串接于所述电源端VDD和所述接地端GND之间；所述电位平移器1011和所述第二电流源Ib2串接于所述电源端VDD和所述接地端GND之间；所述可变电阻单元1013、所述第三NMOS管M3以及所述第四NMOS管M4串接于所述电源端VDD和所述接地端GND之间；所述第一NMOS管M1和所述第三NMOS管M3的栅极均电连接至偏置电压端Vb；所述电位平移器M5的栅极电连接至所述第一电流源Ib1和所述第一NMOS管M1串接形成的节点A处；所述第二NMOS管M2和所述第四NMOS管M4的栅极电连接至所述电位平移器M5和所述第二电流源Ib2串接形成的节点B处；
所述可控电流源1012分别电连接至所述节点B处、所述第三NMOS管M3的栅极、所述可变电阻单元1013和所述第三NMOS管M3串接形成的节点C处以及所述接地端GND。
其中，输入信号Iin输入至所述第一NMOS管M1和所述第二NMOS管M2串接形成的节点D处，通过所述第三NMOS管M3的漏极输出至高通滤波器102。
优选地，所述高通滤波器102包括电容CH和第五电阻RH，其中，所述电容CH的两端分别电连接所述第三NMOS管M3的漏极和所述第五电阻RH的一端；所述第五电阻RH的另一端电连接共模电压VC端。其中，电容CH和电阻RH组成高通滤波电路，利用电容隔直特性滤掉低频信号，隔离前置放大器的输出共模漂移对后级输入共模的影响，保证了电路的稳定性。
优选地，所述后电压放大器103包括第十NMOS管M10和PMOS管M11；其中，所述第十NMOS管M10和所述PMOS管M11串接于所述电源端VDD和所述接地端GND之间；所述PMOS管M11的栅极电连接至电容CH和第五电阻RH连接形成的节点处。其中，后电压放大器103是一个带二极管接法做负载的共源放大器，利用共源放大器原理做后级放大。
进一步地，所述第十NMOS管M10的栅极电连接至所述第十NMOS管M10的漏极。
具体地，所述电位平移器1011为第五NMOS管M5。引入了电位平移器M5，与传统的电流镜放大器相比，该电位平移器既保证了输出摆幅，也提高了电流复制的精度和电路线性度，降低了输入阻抗。
优选地，所述可变电阻单元1013为可变电阻RL。
本实施例提供的一种宽线性动态范围低功耗可变增益跨阻放大器，采用电位平移器的方式，有效的保证了输出摆幅，也提高了电流复制的精度和电路线性度，降低了输入阻抗；通过可变电阻RL和可控电流源Ib调节跨阻放大器增益在很大的范围变化；同时，级联了一个C-R高通滤波器，这样可以隔离前置放大器的输出共模漂移对后级输入共模的影响，提高电路可靠性。
实施例二
为了便于理解本发明的工作原理，本实施例在上述实施例的基础上对可变电阻单元1013进行详细说明。
进一步地，请参见图3，图3为本发明实施例提供的另一种可变增益跨阻放大器电路结构示意图；具体地，所述可变电阻单元1013也可以包括：第一开关管K1、第二开关管K2、第三开关管K3、第四开关管K4、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3以及第四电阻R4；其中，所述第一开关管K1和所述第一电阻R1、所述第二开关管K2和所述第二电阻R2、所述第三开关管K3和所述第三电阻R3以及所述第四开关管K4和所述第四电阻R4均串接于所述电源端VDD和所述第三NMOS管M3的漏极之间。
优选地，第一开关管K1、第二开关管K2、第三开关管K3和第四开关管K4的栅极电连接外部逻辑控制电路。
实施例三
为了便于理解本发明的工作原理，本实施例在上述实施例的基础上对可控电流源1012进行详细说明。
具体地，请再次参见图3，所述可控电流源1012可以包括：第六NMOS管M6、第七NMOS管M7以及第五开关管K5；其中，
所述第六NMOS管M6、所述第七NMOS管M7以及所述第五开关管K5串接于所述节点C和所述接地端GND之间；所述第六NMOS管M6的栅极电连接至所述第三NMOS管M3的栅极；所述第七NMOS管M7的栅极电连接至所述节点B处；所述第五开关管K5的栅极电连接外部逻辑控制电路。
优选地，所述可控电流源1012还可以包括：第八NMOS管M8、第九NMOS管M9以及第六开关管K6；其中，
所述第八NMOS管M8、所述第九NMOS管M9以及所述及第六开关管K6串接于所述节点C和所述接地端GND之间；所述第八NMOS管M8的栅极电连接至所述第三NMOS管M3的栅极；所述第九NMOS管M9的栅极电连接至所述节点B处；所述第六开关管K6的栅极电连接外部逻辑控制电路。
实施例四
进一步地，在上述实施例的基础上，本实施例详细介绍电位平移器M5的实现方法。
具体地，请参见图4，图4为本发明实施例提供的一种传统的电流镜放大器拓扑结构示意图；在传统电流镜中，为了扩大输出摆幅，必须降低第二NMOS管M2的栅源电压VGS,2，但是第二NMOS管M2的栅源电压VGS,2降低后会压缩第一NMOS管M1和第二NMOS管M2的漏源电压，使得电流的复制精度降低。为了解决这一矛盾，我们引入了电位平移器。
进一步地，请参见图5，图5为本发明实施例提供的一种带有电位平移器的电流镜放大器拓扑结构示意；在传统的电流镜放大器中引入了电位平移器M5，该电位平移器M5可以将A节点和B节点隔离开，在降低第二NMOS管M2的栅源电压VGS,2的同时还可以保持足够高的第一NMOS管M1和第二NMOS管M2的漏源电压VDS,1和VDS,2，既保证了输出摆幅，也提高了电流复制的精度。
具体地，假设第一电流源Ib1的输出阻抗足够大，那么流过第一NMOS管M1的电流将保持不变。因此，输入电流会通过第二NMOS管M2直接流到地，使得该结构具有很大的下拉电流能力。需要注意的是，固定第一电流源Ib1和偏置电压Vb可以使输入点的电位几乎保持不变。因此，脉冲电流在进入带有电位平移器的电流镜预放大器(Level Shifter CurrentMirror Amplifier,LSCM-amp)后会通过电流镜作用传输的输出端，而输出电流会经适当阻值的电阻转化为电压信号。其中，共源共栅结构在保证电流精确复制的同时增大了电压输出摆幅，为可变增益设计提供便利。
由图4可知，传统电流镜的低频输入阻抗约为1/gm2，LSCM-amp的低频输入阻抗可表示为公式(1)：
Zin(0)≈1/gm1gm2(ro1||rb1)------------(1)
其中，gm1和gm2分别是第一NMOS管M1和第二NMOS管M2的跨导，ro1和rb1分别是第一NMOS管M1和第一电流源Ib1的输出电阻。
由图5可知，引入电位平移器M5，电位平移器M5通过抬高第一NMOS管M1的漏源电压，从而极大地减小了电路的输入阻抗。在偏置电流和输出摆幅相同的情况下，LSCM-amp的低频输入阻抗将比普通电流镜小gm1(ro1||rb1)倍。
由图5可知，输入脉冲电流Iin会通过第二NMOS管M2下拉到地，忽略体效应和沟道长度调制效应等非理想因素，输入电流的变化量会通过共源共栅电流镜准确地镜像到第四NMOS管M4，再由负载电阻RL将电流转换为电压。因此，LSCM-amp的整体增益可以表示为公式(2)：
其中，(W/L)4为第四NMOS管M4的宽长比，(W/L)2为第二NMOS管M2的宽长比，N是电流比。gm3是第三NMOS管M3的跨导，ro3和ro4分别是第三NMOS管M3和第四NMOS管M4的输出电阻；LSCM-amp不单单通过调节负载电阻的值来改变增益，还可以通过改变电流镜的比值进行电路增益调节，而且电流镜的比值更易精确设计，使得该电路在设计可变增益时具有极大的灵活性。
输入电流可以被电流镜按比例放大，而且调节电流转电压级的负载电阻RL可以进一步地提高电流镜放大器的增益。若电流镜的增益提高D1倍,RL增大D2倍,那么该电流镜放大器的增益满足公式(3)：
AT＝D1D2×N×RL----------------(3)
其中，电路增益将增大为原来的D1D2倍。通过设置D1或D2的值，可以灵活地将电路设计为需要的增益。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种可变增益跨阻放大器，其特征在于，包括：电流镜预放大器(101)、高通滤波器(102)及后电压放大器(103)；
其中，所述高通滤波器(102)分别电连接所述电流镜预放大器(101)和所述后电压放大器(103)；所述电流镜预放大器(101)和所述后电压放大器(103)并接于电源端(VDD)和接地端(GND)之间。
2.根据权利要求1所述的可变增益跨阻放大器，其特征在于，所述电流镜预放大器(101)包括第一电流源(Ib1)、第二电流源(Ib2)、第一NMOS管(M1)、第二NMOS管(M2)、第三NMOS管(M3)、第四NMOS管(M4)、电位平移器(1011)、可控电流源(1012)以及可变电阻单元(1013)；其中，
所述第一电流源(Ib1)、所述第一NMOS管(M1)以及所述第二NMOS管(M2)串接于所述电源端(VDD)和所述接地端(GND)之间；所述电位平移器(1011)和所述第二电流源(Ib2)串接于所述电源端(VDD)和所述接地端(GND)之间；所述可变电阻单元(1013)、所述第三NMOS管(M3)以及所述第四NMOS管(M4)串接于所述电源端(VDD)和所述接地端(GND)之间；所述第一NMOS管(M1)和所述第三NMOS管(M3)的栅极均电连接至偏置电压端(Vb)；所述电位平移器(M5)的栅极电连接至所述第一电流源(Ib1)和所述第一NMOS管(M1)串接形成的节点(A)处；所述第二NMOS管(M2)和所述第四NMOS管(M4)的栅极电连接至所述电位平移器(M5)和所述第二电流源(Ib2)串接形成的节点(B)处；
所述节点(B)、所述第三NMOS管(M3)的栅极、所述接地端(GND)以及所述可变电阻单元(1013)和所述第三NMOS管(M3)串接形成的节点(C)均电连接所述可控电流源(1012)。
3.根据权利要求2所述的可变增益跨阻放大器，其特征在于，所述电位平移器(1011)为第五NMOS管(M5)。
4.根据权利要求2所述的可变增益跨阻放大器，其特征在于，所述可变电阻单元(1013)为可变电阻(RL)。
5.根据权利要求2所述的可变增益跨阻放大器，其特征在于，所述可变电阻单元(1013)包括：第一开关管(K1)、第二开关管(K2)、第三开关管(K3)、第四开关管(K4)、第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、第三电阻(R3)以及第四电阻(R4)；其中，所述第一开关管(K1)和所述第一电阻(R1)、所述第二开关管(K2)和所述第二电阻(R2)、所述第三开关管(K3)和所述第三电阻(R3)以及所述第四开关管(K4)和所述第四电阻(R4)均串接于所述电源端(VDD)和所述第三NMOS管(M3)的漏极之间。
6.根据权利要求2所述的可变增益跨阻放大器，其特征在于，所述可控电流源(1012)包括：第六NMOS管(M6)、第七NMOS管(M7)以及第五开关管(K5)；其中，
所述第六NMOS管(M6)、所述第七NMOS管(M7)以及所述第五开关管(K5)依次串接于所述节点(C)和所述接地端(GND)之间；所述第六NMOS管(M6)的栅极电连接至所述第三NMOS管(M3)的栅极；所述第七NMOS管(M7)的栅极电连接至所述节点(B)处。
7.根据权利要求6所述的可变增益跨阻放大器，其特征在于，所述可控电流源(1012)还包括：第八NMOS管(M8)、第九NMOS管(M9)以及第六开关管(K6)；其中，
所述第八NMOS管(M8)、所述第九NMOS管(M9)以及所述及第六开关管(K6)依次串接于所述节点(C)和所述接地端(GND)之间；所述第八NMOS管(M8)的栅极电连接至所述第三NMOS管(M3)的栅极；所述第九NMOS管(M9)的栅极电连接至所述节点(B)处。
8.根据权利要求2所述的可变增益跨阻放大器，其特征在于，所述高通滤波器(102)包括电容(CH)和第五电阻(RH)，其中，所述电容(CH)的两端分别电连接所述第三NMOS管(M3)的漏极和所述第五电阻(RH)的一端；所述第五电阻(RH)的另一端电连接共模电压端(VC)。
9.根据权利要求8所述的可变增益跨阻放大器，其特征在于，所述后电压放大器(103)包括第十NMOS管(M10)和PMOS管(M11)；其中，所述第十NMOS管(M10)和所述PMOS管(M11)依次串接于所述电源端(VDD)和所述接地端(GND)之间；所述PMOS管(M11)的栅极电连接至电容(CH)和第五电阻(RH)连接形成的节点处。
10.根据权利要求9所述的可变增益跨阻放大器，其特征在于，所述第十NMOS管(M10)的栅极电连接至所述第十NMOS管(M10)的漏极。
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