CN108627815B - 具有2态的单位增益缓冲器 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及具有2态的单位增益缓冲器。单位增益缓冲器提供输入信号耦合到输出端的“ON”状态和输入信号与输出端隔离的“OFF”状态。多单位增益缓冲器可以共享相同的负载以形成电压‑模式最大跟随器或多路复用器。

Description

具有2态的单位增益缓冲器
技术领域
本发明涉及模拟放大器。具体地说，本发明涉及可以用于诸如电压- 模式最大跟随器或多路复用器的模拟放大器。
背景技术
在没有任何移动机械部件的固态光检测和测距(LIDAR)系统变得可用之前，需要商用现货(COTS)接收器来解决多通道高性能LIDAR接收器中的板、功率和成本限制。
高分辨率多通道LIDAR系统(例如具有高级驾驶员辅助系统的车辆) 使用多个激光器和多个光电传感器，例如雪崩光电二极管(“APD”)。在这样的系统中，TIA通常将来自APD的光能转换为电能。为了减少LIDAR接收器的电路板面积，功耗和材料清单，每个TIA可以在多个APD之间复用。这种多路复用是通过使用信号路径中的附加模拟开关和增益模块来实现的。图1a示出了常规TIA 100，其由前置放大器101和单端输出缓冲器 102组成，通过2：1选择器或多路复用器103接收输入信号。例如，在 2016年3月29日授予Lenius等人的标题为“Systems and Methods for Selectable Photodiode circuits circuits”的美国专利9,299,731中公开了这种电路配置。在该电路配置中，开关的导通电阻并且TIA输入端的电容增加会增加噪声增益。因此，这种方法会降低接收机的带宽和动态范围。
为了提高噪声性能，一种方法是放弃多路复用TIA并将开关置于TIA 的输出端，如图1b所示。图1b示出了多路复用传统TIA 110和111的输出信号的开关112。开关112可以由形成在集成电路中的开关来实现，诸如来自Analog Devices，Inc.的电压模式单刀双掷(SPDT)ADG788。但是，这种开关限制了带宽，并且可能需要额外的电源电压，以免限制信号摆动。此外，这样的开关具有缓慢的转换时间(例如，20ns)。为实现更短的转换时间，电流模式切换可用于实现5ns以下的切换时间，并且经过精心设计，可在标准双极性工艺中实现亚纳秒级切换时间。在电压-模式中构建快速转换开关是一项挑战，即使在绝缘体上硅工艺中，这可能相当昂贵。
开关112的一种替代实施方式是电压-模式最大跟随器电路。图2a示出了常规电压-模式最大跟随器电路200，其包括多个公共集电极级 201-1,201-2，...，201-N，每个公共集电极级包括双极型晶体管(例如双极型晶体管202-1,202-2，...，202-N)。这些双极晶体管的发射极端子连接到公共电流源204，并且它们的基极端子分别由输入端子in1，in2，...，inN中的相应一个输入信号控制。公共集电极级 201-1,201-2，...，201-N是共享公共输出端203的射极跟随器。通过将有源输入端子的最小电压保持为高于任何无源输入端子处的最大电压，电压-模式最大跟随器电路200可以用作输出多路复用器。以这种方式，只有单个有源端子中的信号被提供给公共输出端203。具有无源输入端子的双极晶体管中的电流基本上被公共输出端203抑制。图1b的方法需要每个输入信号通道都有专用的TIA，因此会增加成本。另一个困难是目前最先进的COTS TIA不能直接纳入这种方法。
例如，常规COTS TIA提供单端输出信号，通常来自单位增益缓冲器的输出级，如美国国家半导体的LM110集成电路。(例如，LM110的讨论可以在1994年11月的美国国家半导体的数据表LM110/LM210/LM310电压跟随器和1994年11月出版的IEEE Journal of Solid-State Circuits， 4(4)：249-251，1969年8月中找到)。图2b示出了常规单位增益缓冲器250，其例如在LM110集成电路中实现。在单位增益缓冲器250中，输出端253的电压反馈通过电压反馈增强了基本射极跟随器的隔离度和线性度。
然而，常规单位增益缓冲器(例如单位增益缓冲器250)不能用作电压- 模式最大跟随器电路(例如上述电压-模式最大跟随器电路200)中的公共集电极级或者在两个或更多个缓冲器共享相同的输出负载的输出多路复用器电路中。为了说明，图3a示出了使用单位增益缓冲器301和302共享输出节点303来构建电压-模式最大跟随器300的不成功的尝试。在图3a 中，单位增益缓冲的电压反馈放大器A01器件301驱动晶体管Q01的发射极端子处的电压跟随输入信号in1，而单位增益缓冲器302的电压反馈放大器A02驱动晶体管Q02的发射极端子处的电压跟随输入信号in2。因此，电路300显示出不确定的信号争用。
因此，基于单位增益缓冲器的电压-模式最大跟随器电路是理想的，它允许具有较高电压的输入端子驱动输出节点，同时用相同输出节点的较低输入电压隔离其他输入端子。
发明内容
根据本发明的一个实施方案，单位增益缓冲器提供输入信号耦合到输出端的“ON”状态和输入信号与输出端隔离的“OFF”状态。多单位增益缓冲器可以共享相同的负载以形成电压-模式最大跟随器或多路复用器。
根据本发明的一个实施方案，2态单位增益缓冲器可具有输入端和输出端，并且可包括：(i)具有非反相输入端和反相输入端以及输出端的差分放大器；(ii)具有第一端、第二端和控制端的晶体管(例如双极晶体管)，其中(a)所述晶体管的第一端耦合电源电压参考，和(b)所述控制端耦合所述差分放大器的输出端；和(iii)具有第一端、第二端和第三端的二极管矩阵，其中(a)所述二极管矩阵的第一端耦合所述差分放大器的反相输入端，(b)所述二极管矩阵的第二端耦合所述晶体管的第二端，和 (c)所述二极管矩阵的第三端耦合所述2态单位增益缓冲器的输出端。2态单位增益缓冲器可被配置为使得：(a)当所述2态单位增益缓冲器处于第一状态时，穿越二极管矩阵的第一和第二端的电压基本上是穿越导通二极管的电压降，和(b)当所述2态单位增益缓冲器处于第二状态时，所述二极管矩阵的第一和第二端基本相同。
根据本发明的一个实施方案，第一电流源耦合在电源电压参考和二极管矩阵的第一端之间，第二电流源耦合在晶体管的第二端和接地参考之间，并且第三电流源耦合在接地电压参考和二极管矩阵的第三端之间。
根据本发明的一个实施方案，电压-模式最大电压跟随器电路可以通过将本发明的多个2态单位增益缓冲器连接到电压-模式最大电压跟随器电路的公共输出端来形成。
考虑到下面结合附图的详细描述，可以更好地理解本发明。
附图说明
图1a示出了常规TIA 100，其由前置放大器101和单端输出缓冲器 102组成，通过2：1选择器或多路复用器103接收输入信号。
图1b示出了多路复用常规TIA 110和111的输出信号的开关112。
图2a示出常规电压-模式最大跟随器电路200。
图2b示出常规单位增益缓冲器250。
图3a示出了使用单位增益缓冲器301和302共享输出节点303来构建电压-模式最大跟随器300的不成功尝试。
图3b是示出根据本发明的一个实施例的共享输出端353的TIA 351 和352的框图。
图4示出了根据本发明的一个实施例的可用于构建电压-模式最大跟随器电路或输出多路复用器电路的2态单位增益缓冲器400。
图5示出了根据本发明的一个实施例的用于在ON状态下操作的2态单位增益缓冲器400的等效电路420。
图6示出了根据本发明的一个实施例的用于在关闭状态下操作的2态单位增益缓冲器400的等效电路450。
图7a示出了根据本发明的一个实施例的包括2态单位增益缓冲器701 和702的电压-最大跟随器电路700。
图7b示出当2态单位增益缓冲器701处于ON状态并且2态单位增益缓冲器702处于OFF状态时，根据本发明的一个实施例的电压-最大跟随器电路700的等效电路750。
为了简化详细描述并促进附图之间的交叉参考，对附图中的相同元件分配相同的附图标记。
具体实施方式
本发明提供具有由单位增益缓冲器驱动的具有单端输出信号的TIA，其中两个状态可以在公共输出端与其他这样的TIA的输出信号组合而不需要额外的部件。这样的TIA可以用于构建适用于多通道LIDAR接收器的多路复用TIA。
图3b是示出根据本发明一个实施例的共享输出端353的TIA 351和 352的框图。在图3b中，当TIA 351的单位增益缓冲器361被使能时，端子in1的输入信号耦合到输出端353，而TIA 352的单位增益缓冲器362 被禁止，使in2端子的输入信号与公共输出端353隔离。与现有技术单位增益缓冲器不同，本发明的单位增益缓冲器361和362各自在任何给定时间以两种状态之一操作。在一种状态下，单位增益缓冲器在公共节点353 处提供输出信号。在另一状态中，单位增益缓冲器处于基本高阻状态。
本发明的2态单位增益缓冲器包括电流转向二极管，与信号通路中的附加开关可提供更好的隔离和更快的开关速度。本发明的TIA的N个实例可以被组合以形成N：1多路复用器，而在信号路径中没有额外的组件，同时保持低噪声和高带宽。使用本发明的TIA，多通道LIDAR接收器可以解决电路板、功率和成本限制。本发明的这种多通道LIDAR接收机中的TIA 可以在单独的集成电路上或在相同的集成电路上提供。将本发明的多个 TIA集成在多通道LIDAR接收器中实现了低信道功率，并提供可编程或可变增益来优化动态范围。
图4示出了根据本发明的一个实施例的可用于构建电压-模式最大跟随器电路或输出多路复用器电路的2态单位增益缓冲器400。如图4所示， 2态单位增益缓冲器400包括形成二极管矩阵的差分放大器A0、双极型晶体管Q0、二极管D1、D2和D3以及电流源402、403和404，分别提供电流 I2、I0和I1。2态单位增益缓冲器400以两种截然不同的状态操作：“开”和“关”。
在“导通”状态下，二极管D3不导通，差分放大器A0的反相输入端和晶体管Q0的发射极端都通过二极管D2和D1耦合到输出端405。图5示出了等效电路420用于根据本发明的一个实施例在开启状态下操作的单位增益缓冲器400。在这种配置中，从晶体管Q0的发射极端流出的电流和二极管D1和D2中的电流分别为I0+I1-I2、I0-I2和I2。在这种结构中，差分放大器A0的反相端和晶体管Q0的发射极端基本相等。
然而，在OFF状态下，二极管D3导通，导致电流源402和晶体管Q0 中的电流偏离输出端405。图6示出了根据本发明的一个实施例在OFF状态下工作的2态单位增益缓冲器400的等效电路450。在此配置中，流出双极晶体管Q0的电流和二极管D3中的电流分别为I1-I2和I2。
下表总结了ON和OFF状态下的晶体管和二极管电流：
状态 Q0 D<sub>1</sub> D<sub>2</sub> D<sub>3</sub>
ON I<sub>0</sub>+I<sub>1</sub>-I<sub>2</sub> I<sub>0</sub>-I<sub>2</sub> I<sub>2</sub> 0
OFF I<sub>1</sub>-I<sub>2</sub> 0 0 I<sub>2</sub>
图7a示出了根据本发明的一个实施例的包括2态单位增益缓冲器701 和702的电压-最大跟随器电路700。如图7a所示，2态单位增益缓冲器 701和702的输出端连接在公共节点705处。图7a还示出了分别应用于2 态单位增益缓冲器701和702的示例性输入电压1.8伏和1.4伏。假定导通二极管两端的电压降大致为0.8伏特，在图7a中，双极晶体管Q01和Q02的基极端子以及相应的2态单位增益缓冲器701和702中的二极管D11、 D21和D31以及D12、D22和D32的输入端和输出端也示出了示例性电压。因此，图7a表示2态单位增益缓冲器701处于ON状态，2态单位增益缓冲器702 处于OFF状态。在每个2态单位增益缓冲器中，各个差分放大器A01和A02 保持耦合到它们各自的双极晶体管Q01和Q02，使得各个发射极输出端的电压快速地跟随它们各自的输入电压，从而允许在每个2态单位增益缓冲器之间快速转换ON和OFF状态。为了最小化处于ON状态的2态单位增益缓冲器中的输入端和输出端之间的偏移，2态单位增益缓冲器中的电流源可以被编程为在双极晶体管的发射极电流中保持相同的电流密度。
图7b示出当2态单位增益缓冲器701处于ON状态并且2态单位增益缓冲器702处于OFF状态时，根据本发明的一个实施例的电压-最大跟随器电路700的等效电路750。
尽管图7a中仅示出了两个2态单位增益缓冲器，但本发明的电压-模式最大电压跟随器电路可以包括任意数量的2态单位增益缓冲器，其各自的二极管矩阵共享一个公共输出端，同时保持最大的频率响应。
因此，本发明实现了低成本的LIDAR系统，因为2态单位增益缓冲器使得可以将多个通道的输出端连接在一起，而无需在信号路径中使用额外的开关，并且不会损害TIA中实现的性能(例如，带宽性能)，所述TIA 将输入信号提供给2态单位增益缓冲器。
提供以上详细描述是为了说明本发明的具体实施例，而不是限制性的。在本发明的范围内的许多变化和修改是可能的。在所附权利要求中阐述了本发明。

Claims (22)

1.一种多通道光检测和测距LIDAR系统，具有多个信号通道，单个信号通道配置为接收来自相应光传感器的输入信号并且包括：
前置放大器，配置为接收所述输入信号并提供放大的信号；和
2态单位增益缓冲器，配置为接收来自所述前置放大器的放大的信号并在所述2态单位增益缓冲器的输出端提供输出信号，其中所述2态单位增益缓冲器是具有两个状态的单位增益缓冲器，其提供ON状态和OFF状态，
其中所述多个信号通道的输出端耦接到单个输出节点，使得信号通道的2态单位增益缓冲器形成最大电压跟随器电路。
2.根据权利要求1所述的LIDAR系统，其中所述2态单位增益缓冲器包括：
具有非反相输入端、反相输入端以及输出端的差分放大器；
具有第一端、第二端和控制端的晶体管，其中所述晶体管的第一端耦合到电源电压参考，并且所述控制端耦合到所述差分放大器的输出端；以及
具有第一端、第二端和第三端的二极管矩阵，其中所述二极管矩阵的第一端耦合到所述差分放大器的反相输入端，所述二极管矩阵的第二端耦合到所述晶体管的第二端，并且所述二极管矩阵的第三端耦合到所述2态单位增益缓冲器的输出端。
3.根据权利要求2所述的LIDAR系统，其中所述2态单位增益缓冲器配置为使得：(a)当所述2态单位增益缓冲器处于第一状态时，所述二极管矩阵的第一端和第二端具有基本等于跨导通二极管的电压降的电压差，和(b)当所述2态单位增益缓冲器处于第二状态时，所述二极管矩阵的第一端和第二端具有基本相同的电压。
4.根据权利要求2所述的LIDAR系统，其中所述二极管矩阵还包括耦接在所述二极管矩阵的第一端和第二端之间的二极管。
5.根据权利要求2所述的LIDAR系统，其中所述二极管矩阵还包括：
第一二极管，耦接在所述二极管矩阵的第三端和第一端之间，以及
第二二极管，耦接在所述二极管矩阵的第三端和第二端之间。
6.根据权利要求2所述的LIDAR系统，其中所述2态单位增益缓冲器还包括电流源，该电流源耦合在电源电压参考和二极管矩阵的第一端之间。
7.根据权利要求2所述的LIDAR系统，其中所述2态单位增益缓冲器还包括电流源，该电流源耦合在所述晶体管的第二端和接地参考之间。
8.根据权利要求2所述的LIDAR系统，其中所述2态单位增益缓冲器还包括电流源，该电流源耦合在接地电压参考和二极管矩阵的第三端之间。
9.根据权利要求2所述的LIDAR系统，其中所述晶体管包括双极型晶体管。
10.根据权利要求1所述的LIDAR系统，其中所述2态单位增益缓冲器包括多个二极管，并且其中根据第一组参数配置所述多个二极管将所述2态单位增益缓冲器配置为在第一状态下操作，并且根据第二组参数配置所述多个二极管将2态单位增益缓冲器配置为在第二状态下操作。
11.根据权利要求10所述的LIDAR系统，其中，在多通道系统的操作期间，当多个信号通道中的一个信号通道的2态单位增益缓冲器在第一状态下操作时，多个信号通道中的其余的信号通道中的每个的2态单位增益缓冲器在第二状态下操作。
12.根据权利要求1所述的LIDAR系统，还包括多个光传感器，其中单个光信号通道配置为从所述多个光传感器中的不同的一个接收输入信号。
13.根据权利要求12所述的LIDAR系统，其中光传感器包括雪崩光电二极管。
14.一种具有多个输入端和输出端的电压-模式最大电压跟随器电路，包括多个2态单位增益缓冲器，每个2态单位增益缓冲器具有输入端和输出端，其中每个2态单位增益缓冲器的输入端耦合到电压-模式最大电压跟随器电路的输入端中的相应一个输入端，并且其中每个2态单位增益缓冲器的输出端耦合到电压-模式最大电压跟随器电路的输出端，2态单位增益缓冲器耦合在电源电压参考和接地电压参考之间，每个2态单位增益缓冲器包括：
具有非反相输入端、反相输入端以及输出端的差分放大器；
具有第一端、第二端和控制端的晶体管，所述晶体管的第一端耦合到电源电压参考，并且所述控制端耦合到所述差分放大器的输出端；以及
具有第一端、第二端和第三端的二极管矩阵，其中所述二极管矩阵的第一端耦合到所述差分放大器的反相输入端，所述二极管矩阵的第二端耦合到所述晶体管的第二端，并且所述二极管矩阵的第三端耦合到所述2态单位增益缓冲器的输出端，
其中所述2态单位增益缓冲器是具有两个状态的单位增益缓冲器，其提供ON状态和OFF状态。
15.根据权利要求14所述电压-模式最大电压跟随器电路，其中所述2态单位增益缓冲器配置为使得：(a)当所述2态单位增益缓冲器处于第一状态时，所述二极管矩阵的第一端和第二端具有基本等于跨导通二极管的电压降的电压差，和(b)当所述2态单位增益缓冲器处于第二状态时，所述二极管矩阵的第一端和第二端具有基本相同的电压。
16.根据权利要求14所述的电压-模式最大电压跟随器电路，其中所述二极管矩阵还包括配置为连接二极管矩阵的第一端和第二端的二极管。
17.根据权利要求14所述的电压-模式最大电压跟随器电路，其中所述二极管矩阵还包括：
第一二极管，配置为连接所述二极管矩阵的第三端和所述二极管矩阵的第一端，以及
第二二极管，配置为连接所述二极管矩阵的第三端和所述二极管矩阵的第二端。
18.根据权利要求14所述的电压-模式最大电压跟随器电路，其中在每个2态单位增益缓冲器中，电流源耦合在晶体管的第二端和接地参考之间。
19.根据权利要求14所述的电压-模式最大电压跟随器电路，其中在每个2态单位增益缓冲器中，电流源耦合在电源电压参考和二极管矩阵的第一端之间。
20.根据权利要求14所述的电压-模式最大电压跟随器电路，其中在每个2态单位增益缓冲器中，电流源耦合在接地电压参考和二极管矩阵的第三端之间。
21.根据权利要求14所述的电压-模式最大电压跟随器电路，其中晶体管是双极型晶体管。
22.一种多通道光检测和测距LIDAR系统，包括根据权利要求14所述的电压-模式最大电压跟随器电路。
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