CN108696256B - 具有快速过载恢复功能的跨阻放大器 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及具有快速过载恢复功能的跨阻放大器。具有快速恢复恢复功能的高速低噪声跨阻放大器(TIA)适用于光检测和测距(LIDAR)接收器。

Description

具有快速过载恢复功能的跨阻放大器
技术领域
本发明涉及跨阻放大器(“TIA”)。具体而言，本发明涉及被配置为在被驱动超出其线性范围之后快速恢复的TIA。
背景技术
光检测和测距(LIDAR)系统已用于新型汽车应用，如高级驾驶员辅助系统(ADAS)。LIDAR系统通过测量朝向目标发射短激光脉冲和检测从目标发射的激光脉冲的反射之间的时间差来测量到目标的距离。然后根据时间差确定到目标的距离。图1(a)是说明常规LIDAR系统10的操作原理的框图。如图1(a)所示，脉冲激光发射器11向目标16发射短激光脉冲。通过LIDAR系统10的光学系统17a中的反射，在第一检测通道处检测发射脉冲，其包括雪崩光电二极管APD 13a、TIA 12a和定时鉴别器14a。当检测到发射的激光脉冲时，定时鉴别器14a向定时间隔测量电路15提供“起始脉冲”。一段时间后，来自目标16的激光脉冲的反射通过光学系统17b被接收到第二检测通道中，其包括APD 13b、TIA 12b和定时鉴别器14b。当在这个第二检测通道中检测到来自目标16的反射激光脉冲时，定时鉴别器14b向定时间隔测量电路15提供“停止脉冲”。基于“开始”和“停止”脉冲之间的时间差，测量电路15提供LIDAR系统10和目标16之间的距离的估计。
专门为光纤通信系统开发的商用现成(COTS)TIA通常也用于LIDAR系统。然而，为了提高检测范围，APD(例如图1(a)的APD13a和13b)在LIDAR系统中是优选的，因为它们相对于常规光纤通信系统中使用的光电二极管具有更高的电流增益。
LIDAR系统通常在比光纤通信信道更少控制的环境下工作。具体而言，LIDAR系统中的TIA通常会经受大而短的瞬态电流脉冲。然而，如此大的电流脉冲可能超过TIA(例如，图1(a)的TIA 12a或12b)超过其线性范围，使得过驱动的TIA的检测通道可能被遮蔽，直到TIA完全恢复，短而大的电流脉冲被去除。图1(b)显示了LIDAR检测通道中的TIA输出信号，以响应向高度反射目标发射的单个激光脉冲。如图1(b)所示，检测通道的APD产生大的瞬态电流脉冲，使相关的TIA超过其线性范围。由于TIA缓慢过载恢复，来自同一目标的额外反射(例如，通过方式其他信号路径)不能被检测到。图1(c)显示了当TIA具有足够快的过驱恢复时间时，在相同发射激光脉冲的附加反射的TIA中的理想检测。在图1(c)中，具有足够快的过驱恢复，TIA检测与相同目标在时间上大致相等的第二反射和第三反射。
在过驱信号条件下，当放大器被驱动超过线性范围时，放大器中的一个或多个晶体管可能饱和或切断。由于固有或寄生电容的内部充电或放电，从这种非线性操作条件恢复可能会延迟。参见例如JL Addis的美国专利4,714,896(“Addis”)，其名称为“具有快速过驱恢复的精密差分放大器”，Addis公布了一种用于电压放大器的方法，其中关键晶体管不被在过驱信号条件下，电压放大器快速恢复并立即在其线性区域内工作。TIA需要一种具有类似结果的方法。
图2(a)和2(b)提供了常规TIA的例子。图2(a)是常规TIA 100的方框图，其跨阻增益由电阻101的电阻RF确定(即G＝V/I＝-RF)。图2(b)显示了常规TIA 200，其中包括共发射极输入级和共集电极输出级。一种用于降低TIA(例如光纤接收器中使用的TIA)中的过驱动恢复时间的方法是在过驱条件期间限制TIA的增益，这扩大了TIA的线性输入范围。
1998年1月13日授予W.A.Gross.的名称为“Method and Apparatus ForProviding Limiting Transimpedance Amplification”的美国专利5,708,392(“Gross”)公开了使用二极管钳位TIA电路中反馈电阻两端的电压。例如，图3示出了包括二极管301的TIA电路300，二极管301钳位反馈电阻器302两端的电压。这种二极管钳位电路在过驱动信号条件下压缩增益。作为第二实例，图4示出了TIA电路400，其包括反馈电阻器402两端的MOSFET401(参见例如美国专利5,532,471(“Khorramabadi”)，题为“Opticaltransimpedance amplifier with high dynamic range”，H.Khorramabadi，MJ Tarsia和LD Tzeng，于1996年7月2日公开)。如图4所示，在检测到大输入信号时，MOSFET 401通过来自放大器A的反馈信号接通，以便增加信号处理能力TIA 400.如图3和图4所示，在TIA中的反馈电阻两端提供旁路电路对于光检测和测距(“LIDAR”)接收机应用来说不够快。
发明内容
根据本发明的一个实施方案，光检测和测距(LIDAR)系统包括两个或多个检测通道，其中每个检测通道具有用于感测光以提供输入信号的雪崩光电二极管(APD)、用于放大所述输入信号的跨阻放大器(TIA)以及用于检测放大的输入信号中的事件的定时鉴别器。根据本发明，TIA可由低噪声高速TIA和电流信号限幅器提供，这有助于快速过载恢复。在一个实施方案中，TIA包括：(a)输入级，包括共发射极配置的晶体管，其中共配置的晶体管的基极端子耦合TIA的输入端子；(b)输出级，包括共基极配置的晶体管，其中共基极配置的晶体管的集电极端子耦合所述TIA的输出端子，并且共基极配置的晶体管的基极端子接收第一偏置电压；(c)电阻，耦合在TIA的输入和输出端子之间；和(d)限流电路，限流电路包括耦合到共基极配置晶体管的发射极端子的可编程电流源和耦合在共基极配置的晶体管的发射极端子和共发射极配置的晶体管的集电极端子之间的二极管矩阵。二极管矩阵限制共基极配置的晶体管的发射极电流，使得将TIA输出端子的电压限制在最大值。如此限制，即使在TIA输入端子的过驱信号条件下，共基极配置的晶体管也工作在线性区域。
在一个实施方案中，输入级是差分输入级的一部分，具有限制共发射极配置的晶体管中的发射极电流的电流源。差分输入级可包括具有接收第二偏置电压的基极端子的第二共发射极配置的晶体管。
根据本发明的一个实施方案，TIA可包括将TIA的输入端子保持在不小于第一预定电压或不大于第二预定电压的电压钳位电路。任一预定电压可以是参考电压。钳位电路可以由二极管、MOS晶体管或双极晶体管来实现。
考虑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1(a)是说明常规LIDAR系统10中的操作原理的框图。
图1(b)显示了当一个激光脉冲射向高反射目标时，LIDAR检测通道中的TIA输出信号。
图1(c)显示了TIA中相同发射激光脉冲与足够快的过驱恢复的附加反射的理想检测。
图2(a)是常规跨阻放大器100的方框图，其跨阻增益由电阻器101的电阻RF确定。
图2(b)示出了常规TIA 200，其包括共发射极输入级和共集电极输出级。
图3示出了TIA电路300，其包括钳位跨过反馈电阻器302的电压的二极管301。
图4示出了跨反馈电阻器402包括MOSFET 401的TIA电路400。
图5示出了具有站点PNP晶体管501的这种低噪声折叠共源共栅TIA500。
图6说明了NPN共基极级600的操作，其包括NPN晶体管601，其提供在有限的特定范围内线性的输出电流。
图7说明了PNP共基极级700的操作，其中包括PNP晶体管QO，其输出电流在限定的特定范围内是线性的，类似于图6所示的NPN共基极级600。
图8示出了根据本发明的一个实施例的折叠式共源共栅放大器800，其结合了PNP共基极级801和由电流源805和二极管矩阵804实现的可编程电流限制器。
图9示出了根据本发明的一个实施例的具有差分输入级的折叠共源共栅TIA 900，其包括共发射极晶体管Q1、可编程电流源902和参考偏置共发射极三极管Q3。
图10示出了根据本发明的一个实施例的TIA 1000，其中PNP晶体管Q4被提供为输入端子803处的电压钳位。
图11示出了根据本发明的一个实施例的TIA 1100，其中二极管连接的PNP晶体管Q4被提供作为输入端子803处的电压钳位。
为了便于图中的相互参照，类似的元件被提供为类似的附图标记。
具体实施方式
本发明提供具有电流信号限制器的低噪声高速TIA，以促进快速过驱恢复。
图2(b)中的常规TIA 200的共集电极输出级在负载输入电流存在时具有足够大的幅度时可以从过驱动状态缓慢恢复。然而，调制解调器补充站点过程可以提供快速PNP晶体管，允许低噪声折叠共源共栅TIA实现与常规TIA 200类似的带宽。图5示出了具有由固定偏置的站点PNP晶体管501的低噪声折叠共源共栅TIA 500参考电压VREFP。根据本发明的一个实施方案，TIA 500的共基极PNP晶体管501中的集电极电流可以使用可编程线性信号限幅器进行调节，如下所述。这种TIA(共基极晶体管在过驱条件下可以保持在饱和区之外)快速恢复。
1989年2月28日公开的发明名称为"Dual Limit Programmable Linear SignalLimner,"的J.F.Stoops的美国专利4,808,858("Stoops")公开了一种NPN共基极级，它提供的输出电流在有限的特定范围内是线性的，但可以吸收相当大的输入电流。基于Stoops的教导，图6示出了示例NPN共基极级600的操作，其包括提供在有限的特定范围内线性的输出电流的NPN晶体管601。在图6中，可编程电流源601和602和二极管矩阵603(由二极管D1、D2和D3形成)一起提供限流机制。在图6中，NPN晶体管601由固定偏置电压VREFN偏置。如图6所示，对于合适的X和Y值，可编程电流源601和602被设置为分别提供电流X+Y和2Y。输出电流Iout-共基极集电极电流范围从0到2Y。
在最小输出电流，即Iout＝0时，相应的输入电流Iin由(X-Y-dI)给出，用于基极电流dI。在这种情况下，二极管D3不导通。随着输入电流从(X-Y-dI)增加到(X-Y+dI)，输出电流Iout从0线性增加到dI，二极管D1中的电流从(-2Y-dI)增加到(2Y-dI)，此时二极管D2停止导通并且二极管D3导通。当输入电流Iin从(X-Y+dI)增加到(X+Y+dI)时，输出电流Iout从dI线性增加到2Y，二极管D1中的电流从(2Y-dI)减小到0，二极管D3中的电流从0增加到dI。下面的表1总结了共基极集电极电流Iout和二极管矩阵的二极管D1、D2和D3中的电流与输入电流Iin的关系：
区域 输入电流 出入电流 D1中的电流 D2中的电流 D3中的电流
最小限流 X-Y-dI 0 -2Y-dI dI 0
线性范围 X-Y+dI dI 2Y-dI 0 0
最大限流 X+Y+dI 2Y 0 0 dI
图6的NPN共基极级所示的方法可适用于PNP共基极级，如图7所示。图7说明了PNP共基极级700的操作，其中包括PNP晶体管Q0，其输出电流在有限的特定范围内是线性的。在图7中，PNP晶体管Q0被固定偏置电压VREFP偏置，并提供包括用于限流操作的二极管D1、D2和D3的二极管矩阵。图7是适用于LIDAR接收器应用的配置，其中通常将APD耦合到TIA700的输入端子以提供单极负电流输出脉冲。图7的PNP共基极级700的限流操作与上述图6所示的NPN共基极级600的限流操作基本相同，并在上面的表I中概括。
图8示出了根据本发明的一个实施例的折叠共源共栅跨阻放大器800，其将PNP共基极级801与由电流源805(具有电流I2)和二极管矩阵804实现的可编程电流限制器结合。如图8所示，晶体管Q0中的最大集电极电流可以由可编程电流源805和二极管矩阵804(由二极管D1、D2和D3实现)来限制，当在输入端子803上施加足够大的振幅的输入电流脉冲时，在晶体管Q0的基极端子的基准偏置电压VREFP的下方。在过驱动状态下晶体管Q0和Q1保持在其各自的饱和区之外时，TIA 800在从输入端803移除大输入电流脉冲之后立即非常迅速地恢复。由于二极管矩阵804不会降低低噪声的速度或噪声性能、高速折叠共源共栅TIA 800，由此产生的快速过载恢复使得TIA 800适用于LIDAR接收器应用。
除了在施加负脉冲时使折叠共源共栅TIA的共基极晶体管Q0脱离饱和区域之外，还希望当存在单极正电流输入脉冲时将TIA的共发射极输入级的晶体管Q1也保持饱和。一种方法是使晶体管Q1成为差分对的一部分。图9示出了根据本发明一个实施例的具有差分输入级的折叠共源共栅TIA 900，其包括共发射极晶体管Q1、可编程电流源902和参考偏置晶体管Q3。晶体管Q3由参考电压VREPN偏置。在该配置中，电流源902(具有电流I3)设置晶体管Q1和Q3中的最大发射极电流。通过折叠共源共栅TIA 900中的偏置电压VREFP和VREFN的适当选择，偏置电流I2和I3以及电阻值R0、RF和R1、晶体管Q0和Q1都可以保持在饱和状态以外，可以实现正输入电流和负输入电流。
可以将电压钳位电路提供给折叠共源共栅TIA 900以防止输入端子803处的电压低于负电源VEE。图10示出了根据本发明的一个实施例的其中PNP晶体管Q4被提供为输入端子803处的电压钳位电路的折叠共源共栅TIA 1000。或者，电压钳位电路可以通过二极管连接的NPN晶体管，如通过二极管连接的NPN晶体管Q4，如图11的折叠共源共栅TIA 1100中所示。
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 (14)

1.一种跨阻放大器TIA，该TIA具有输入端子和输出端子，该TIA包括：
具有集电极端子和基极端子的共发射极配置的晶体管，所述共发射极配置的晶体管的基极端子耦合到所述TIA的输入端子；
具有发射极端子、集电极端子和基极端子的共基极配置的晶体管，所述共基极配置的晶体管的集电极端子耦合到所述TIA的输出端子，并且所述共基极配置的晶体管的基极端子耦合成接收第一偏置电压；
电阻，耦合在TIA的输入端子和输出端子之间；和
限流电路，所述限流电路包括耦合到共基极配置的晶体管的发射极端子的可编程电流源以及耦合在共基极配置的晶体管的发射极端子和共发射极配置的晶体管的集电极端子之间的二极管矩阵。
2.根据权利要求1所述的TIA，其中所述二极管矩阵被配置成限制共基极配置的晶体管的发射极电流，使得所述共基极配置的晶体管工作在线性区域。
3.根据权利要求1所述的TIA，其中所述共发射极配置的晶体管是差分输入级的一部分。
4.根据权利要求3所述的TIA，其中所述差分输入级包括限制共发射极配置的晶体管中的发射极电流的电流源。
5.根据权利要求3所述的TIA，其中所述差分输入级还包括具有耦合成接收第二偏置电压的基极端子的第二共发射极配置的晶体管。
6.根据权利要求1所述的TIA，其中所述TIA还包括被配置成将TIA的输入端子保持在不小于第一预定电压或不大于第二预定电压的电压钳位电路。
7.根据权利要求6所述的TIA，其中所述TIA耦合在第一电源电压和第二电源电压之间，并且其中所述第一预定电压和所述第二预定电压能够各自是电源电压或参考电压中的一种。
8.根据权利要求6所述的TIA，其中所述电压钳位电路包括二极管或双极型晶体管。
9.根据权利要求1所述的TIA，其中所述共基极配置的晶体管包括SiGe PNP晶体管。
10.根据权利要求1所述的TIA，还包括附加晶体管，该附加晶体管具有耦合到所述TIA的输入端子的发射极端子，并且还具有耦合到所述共发射极配置的晶体管的发射极端子的集电极端子。
11.根据权利要求10所述的TIA，其中：
共发射极配置的晶体管是差分输入级的一部分，并且
差分输入级还包括以下中的一个或多个：
耦合到共发射极配置的晶体管的发射极端子的电流源；以及
具有耦合成接收第二偏置电压的基极端子的第二共发射极配置的晶体管。
12.根据权利要求1所述的TIA，其中所述二极管矩阵包括第一二极管、第二二极管和第三二极管，每个二极管包括第一端子和第二端子，并且其中：
第一二极管的第一端子耦合到第二二极管的第二端子，
第二二极管的第二端子还耦合到共基极配置的晶体管的发射极端子，
第一二极管的第二端子耦合到第三二极管的第一端子和共发射极配置的晶体管的集电极端子中的每一个，并且
第三二极管的第二端子耦合到第二二极管的第一端子。
13.根据权利要求1所述的TIA，其中所述TIA的输入端子被配置成接收输入信号，所述输入信号基于由用于感测光的雪崩光电二极管APD产生的信号。
14.一种光检测和测距LIDAR系统，包括根据权利要求1-13中任一项所述的TIA，所述系统还包括以下中的一个或多个：
雪崩光电二极管APD，用于感测光以向所述TIA的输入端子提供输入信号，以及
定时鉴别器，被配置成检测在所述TIA的输出端子处提供的输出信号中的事件。
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