CN110794384A - 面向激光测距系统的一种跨阻放大器架构 - Google Patents

面向激光测距系统的一种跨阻放大器架构 Download PDF

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Abstract

本发明公开面向激光测距系统的一种跨阻放大器架构,包括:两级结构,第一级是两个对称的RGC结构电流缓冲级,第二级是可选增益的TIA,两个对称的RGC结构电流缓冲级的输入与APD探测器的电流输出端连接,两个对称的RGC结构电流缓冲级的输出端与可选增益TIA的输入端连接,可选增益TIA的输出端与负载‑‑输出缓冲级的输入端连接;其中,两个对称的RGC结构电流缓冲级连接带隙基准电路,为电路提供稳定的偏置电流和偏置电压。本发明高增益宽带宽跨阻放大器能够检测到探测器产生的弱电流并作出响应,放大为合适幅度的电压,传递给后级电路,保证整个系统的正常运行。

Description

面向激光测距系统的一种跨阻放大器架构
技术领域
本发明涉及集成电路技术领域,特别是涉及面向激光测距系统的一种跨阻放大器架构。
背景技术
激光测距技术是利用激光脉冲测量目标距离的光学遥感技术。激光探测器相比于传统图像传感器,可实现4D成像。通过线性APD(雪崩光电二极管)探测器获得场景中目标的灰度信息和距离信息,实现对目标的传统成像和距离成像。激光测距中,作为激光雷达接收系统中的关键模块部分,跨阻放大器(Transimpedance amplifier,TIA)会将来自光电探测器的弱电流脉冲信号转换为合适幅度的大电压。然而由于受暗电流影响,不能准确分辨信号的幅度,也不能控制信号的灵敏度,导致不能得到精确的测量结果,以供后续电路使用。在图1激光测距系统中,模拟放大模块后接时间数字转换器(Time to Digital Convert,TDC)和模数转换器(Analog-to-Digital Converter,ADC)构成的模数转换单元,借助飞行时间法(Time-Of-Flight,TOF)计算出时间差,最后由算法处理模块利用回波时刻鉴别全波形信息提取算法,在数据处理后,发送到存储设备,进行点云数据处理,成像目标识别。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷,而提供面向激光测距系统的一种高增益宽带宽的跨阻放大器架构,当探测器产生弱电流时,TIA可以精确检测到,并放大到合适的电压幅度,提供给后级电路使用或处理。
为实现本发明的目的所采用的技术方案是:
面向激光测距系统的一种跨阻放大器架构,包括:
两级结构,第一级是两个对称的RGC结构电流缓冲级,第二级是可选增益的TIA,两个对称的RGC结构电流缓冲级的输入与APD探测器的电流输出端连接,两个对称的RGC结构电流缓冲级的输出端与可选增益TIA的输入端连接,可选增益TIA的输出端与负载--输出缓冲级的输入端连接;其中,两个对称的RGC结构电流缓冲级连接带隙基准电路,为电路提供稳定的偏置电流和偏置电压。
本发明高增益宽带宽跨阻放大器能够检测到探测器产生的弱电流并作出响应,放大为合适幅度的电压,传递给后级电路,保证整个系统的正常运行。
附图说明
图1是激光测距系统原理图;
图2是用于模拟放大的RGC结构可变增益的跨阻放大器架构;
图3是RGC结构电流缓冲级原理图;
图4是可变增益的跨阻放大器TIA原理图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
如图2所示,本发明的面向激光测距系统的一种跨阻放大器TIA架构,包括两级结构,其中,第一级是两个对称的RGC结构电流缓冲级,第二级是可选增益的TIA,两个对称的RGC结构电流缓冲级的输入与APD探测器的电流输出端连接,两个对称的RGC结构电流缓冲级的输出端与可选增益TIA的输入端连接,可选增益TIA的输出端与负载--输出缓冲级的输入端连接;其中,两个对称的RGC结构电流缓冲级连接带隙基准电路,为电路提供稳定的偏置电流和偏置电压,保证电路工作稳定。
工作时,APD探测器产生的电流经过第一级的两个对称的RGC结构电流缓冲级到达第二级的可选增益TIA的输入端,电流经过第二级可选增益TIA转换成电压输出。图2中的带隙基准电路为电路提供稳定的偏置电流和偏置电压,保证电路工作稳定,由于其结构是经典结构此发明不再论述,输出缓冲级作为整体架构负载,驱动后级电路,根据实际应用选择。
本发明中,如图3所示,第一级的两个对称的RGC结构电流缓冲级,作用是将APD探测器输出的光电流进行隔离缓冲,进而将APD探测器自身的一个较大的寄生电容Cd与TIA输入端(Iin)隔离开来,避免在TIA的输入端产生一个低频极点ω0,从而拓宽了TIA的带宽。
具体实现上,采用电流源和电容并联的方式等效APD探测器,所以本发明的输入级是电流源与电容的并联,并且将输入电流信号处理为直流与交流的结合,直流为光电二极管的暗电流,交流分量为光生电流,输入级的电容为光电二极管的寄生电容。由两个对称的RGC结构和一个共源共栅(CS-CG)电流镜组成,目的是抵消暗电流,确保TIA输入的电流只有光电流。
ω0=1/(Rf Cd),
第一级电路中电流流向分析如下:图3中上半部分中PM4、PM5、PM6构成电流镜用于镜像支路电流,NM7、NM8和R2构成RGC结构,I2和C2为无光电流时的等效APD探测器。I2是暗电流,首先流经PM4和NM7的支路,经过PM4和PM5、PM6的镜像,电流被PM5和NM8所在支路以及PM5支路产生相应电流,进而到达VIN端。PM5中根据MOS管特性,电流MI2源端到漏端(其中M为电流镜的放大倍数),即为自上而下。
下半部分中PM1、PM2、PM3构成电流镜用于镜像支路电流,NM1、NM2和R1构成RGC结构,I1和C1为有光电流时的等效APD探测器,NM3、NM4、NM5和NM6构成共源共栅电流镜用于镜像支路电流。交流电流源I1包括暗电流I2和光电流Is,交流电流源I1处接探测器APD的输出。NM1和PM1支路上的电流I1经过PM1和PM2、PM3的镜像,在PM2和NM2支路以及PM3所在支路产生相应电流,此电流进而在PM3、NM3和NM5所在支路经过共源共栅电流镜镜像到NM4和NM6的支路上,到达VIN端。NM4中根据MOS管特性,电子从源端到漏端,电流MI1从漏端到源端(其中M为电流镜的放大倍数),即为自上而下,其中,VB0信号是为了保证电流镜正常工作的偏置电压,此电压大小是由带隙基准电路产生。
光照时探测器APD产生的电流,包含了无光照时的暗电流I2。为了消除I2的影响,所以采用了对称的RGC结构用于抵消暗电流I2部分,只剩下实际有用的光生电流Is.
从而可以得到TIA输入端电流Iin为探测器的光电流成分,消除了暗电流的影响。
MI1=M x(I2+Is)
Iin=MI1-MI2=MIs
分析得到第一级结构以下指标:
等效总的输入电容为Cin=C1+Cgs2+Csb1,
等效输入电阻为
Figure BDA0002241230730000041
所以,3dB带宽为
Figure BDA0002241230730000042
综上得到此结构的输入阻抗低,该阻抗对输入端的寄生电容有很好的隔离作用,降低了寄生电容对带宽的影响,拓展带宽,满足高带宽的设计要求。
第二级为可变增益的TIA,如图4,第一级输出的电流Iin流经第二级的电阻R,在输出端产生电压Vout,关系如下式,目的是将电流Iin转换成大电压Vout,放大倍数为R。主要是由二极管作负载的反相放大器和可变增益部分组成。
Vout=Iin x R
图4中,PM7、NM9、NM12和PM8、NM10、NM13构成两级级联的二极管作为负载的反相放大器,实现输入信号的放大;Rf、Cf,R2、C2和控制信号GAIN2控制的开关传输管,R1、C1和时钟信号GAIN1控制的开关传输管作为可变增益级,通过控制时钟信号GAIN1和控制信号GAIN2实现传输管的导通或断开,进而改变阻值大小,实现改变TIA的增益大小。时钟信号GAIN1和时钟信号GAIN2控制的开关传输管是NMOS和PMOS的源级、漏极分别对应相连,其栅极分别接时钟信号和时钟信号的相反信号。
GAIN1和GAIN2为高低电平信号,高电平为电源电压,低电平为地,具体时钟可根据需要自行设计。当GAIN1为高电平,GAIN1_N为低电平,由GAIN1控制的开关传输管闭合,GAIN2为低电平,GAIN2_N为高电平,由GAIN2控制的开关传输管断开,第二级的增益为R1与Rf的并联;同理,当GAIN1为低电平,GAIN1_N为高电平,由GAIN1控制的开关传输管断开,GAIN2为高电平,GAIN2_N为低电平,由GAIN2控制的开关传输管闭合,第二级的增益为R2与Rf的并联;当GAIN1为高电平,GAIN1_N为低电平,由GAIN1控制的开关传输管闭合,GAIN2为高电平,GAIN2_N为低电平,由GAIN2控制的开关传输管闭合,第二级的增益为R1、R2与Rf的并联。电路中电容用于补偿带宽和保持电路稳定性。
分析得到第二级指标,增益和3dB带宽为gain=R
Figure BDA0002241230730000051
其中A为级联放大器的闭环增益
Figure BDA0002241230730000061
在激光测距中,回波信号非常微弱,所以电路的增益需要比较大才能得到足够大的输出电压,即负载电阻R取得较大的值。
由于激光死区时间长,脉冲宽度很小,高增益宽带宽跨阻放大器能够检测到探测器产生的弱电流并作出响应,放大为合适幅度的电压,传递给后级电路,保证整个系统的正常运行。
当APD探测器接收到微弱的光信号后转化为电流信号,此电流经过第一级两个对称RGC电流缓冲级的缓冲,既隔离了探测器寄生电容的影响,也消除暗电流只保留光电流;光电流经第二级可变增益TIA放大为电压信号,增益通过GAIN1/GAIN2调节,增大了输出动态范围;第二级的输出电压后根据实际需要选择缓冲输出级提供给系统后级电路。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出的是,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.面向激光测距系统的一种跨阻放大器架构,其特征在于,包括两级结构,第一级是两个对称的RGC结构电流缓冲级,第二级是可选增益的TIA,两个对称的RGC结构电流缓冲级的输入与APD探测器的电流输出端连接,两个对称的RGC结构电流缓冲级的输出端与可选增益TIA的输入端连接,可选增益TIA的输出端与负载--输出缓冲级的输入端连接;其中,两个对称的RGC结构电流缓冲级连接带隙基准电路,为电路提供稳定的偏置电流和偏置电压。
2.根据权利要求1所述面向激光测距系统的一种跨阻放大器架构,其特征在于,所述两个对称的RGC结构电流缓冲级,包括第一RGC结构电流缓冲级以及第二RGC结构电流缓冲级,以及共源共栅电流镜:
第一RGC结构电流缓冲级包括用于镜像支路电流的由PMOS管PM4、PM5、PM6构成的电流镜,由NMOS管NM7、NM8和电阻R2构成的RGC结构,交流电源I1输出的暗电流I2和电容C2等效无光电流时APD探测器输出;PMOS管PM4、PM5、PM6的源极接VDD,PMOS管PM4的漏极接NMOS管NM7漏极并与PMOS管PM4、PM6的栅极连接,PMOS管PM5的漏极与栅极连接后与NMOS管NM8的源极、NMOS管NM7的栅极连接,PMOS管PM6的漏极接电流输出端Iin,NMOS管NM7的源极接NMOS管NM8的栅极,并与并联的电容C2、电阻R2的一端连接,NMOS管NM8的漏极与电容C2、电阻R2的另一端连接;
第二RGC结构电流缓冲级包括用于镜像支路电流的由PMOS管PM1、PM2、PM3构成的电流镜,由NMOS管NM1、NM2和电阻R1构成的RGC结构,并联的交流电源I1和电容C1等效形成光电流时APD探测器输出,交流电流源I1包括暗电流I2和光电流Is,接APD探测器输出;PMOS管PM1、PM2、PM3的源极接VDD,PMOS管PM1的漏极接NMOS管NM1漏极并与PMOS管PM2、PM3的栅极连接,PMOS管PM2的漏极与栅极连接后与NMOS管NM2的源极、NMOS管NM1的栅极连接,NMOS管NM1的源极接NMOS管NM2的栅极,并与并联的电容C1、电阻R1的一端连接,NMOS管NM2的漏极与电容C1、电阻R1的另一端连接;
共源共栅电流镜包括NMOS管NM3、NM4、NM5、NM6,NMOS管NM3、NM4的栅极连接后接偏置电压VBO,NMOS管NM3源极与NM5漏极连接,NMOS管NM3漏极与PMOS管PM3的漏极连接,NMOS管NM4的漏极接电流输出端Iin、源极接NMOS管NM6漏极,NMOS管NM6源极以及NMOS管NM5源极均与NMOS管NM2的漏极连接,NMOS管NM5、NM6的栅极相接后与NMOS管NM3漏极相接。
3.根据权利要求1所述面向激光测距系统的一种跨阻放大器架构,其特征在于,所述可选增益的TIA包括:
PM7、NM9、NM12和PM8、NM10、NM13构成两级级联的二极管作为负载的反相放大器,实现输入信号的放大;Rf、Cf,R2、C2和时钟信号GAIN2控制的开关传输管,R1、C1和时钟信号GAIN1控制的开关传输管作为可变增益级,通过控制时钟信号GAIN1和GAIN2实现传输管的导通或断开,进而改变阻值大小,实现改变TIA的增益大小;
其中,PMOS管PM7的栅极与NMOS管NM9的栅极连接后与电流输入端Iin连接,PMOS管PM7的栅极与NMOS管NM9的漏极连接后通过一个接点A与PMOS管PM8、NMOS管NM10的栅极连接线上一个接点B连接,PMOS管PM8、NMOS管NM10的漏极相接后与输出端VOUT相接,PMOS管PM7的源极接PMOS管PM8的源极,NMOS管NM9的源极与NMOS管NM10、NMOS管NM12、NMOS管NM13的源极连接,NMOS管NM12的漏极与其栅极相接后与接点A、B间的连线连接,NMOS管NM13的漏极接其栅极相接后与输出端VOUT相接;
电阻Rf、电容Cf并联后一端与电流输入端Iin连接,另一端与输出端VOUT相接,电阻R1、电容C1并联后一端经开关传输管与电流输入端Iin连接,另一端与输出端VOUT相接,电阻R2、电容C2并联后一端经另一个开关传输管与电流输入端Iin连接,另一端与输出端VOUT相接,两个开关传输管的各自的两个栅极分别时候信号GAIN1、GAIN2连接;
当GAIN1为高电平,GAIN1_N为低电平,由GAIN1控制的开关传输管闭合,GAIN2为低电平,GAIN2_N为高电平,由GAIN2控制的开关传输管断开,第二级的增益为R1与Rf的并联;同理,当GAIN1为低电平,GAIN1_N为高电平,由GAIN1控制的开关传输管断开,GAIN2为高电平,GAIN2_N为低电平,由GAIN2控制的开关传输管闭合,第二级的增益为R2与Rf的并联;当GAIN1为高电平,GAIN1_N为低电平,由GAIN1控制的开关传输管闭合,GAIN2为高电平,GAIN2_N为低电平,由GAIN2控制的开关传输管闭合,第二级的增益为R1、R2与Rf的并联。
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