CN110967683A - 信号接收和放大电路以及具有其的激光雷达 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电路领域，提供一种信号接收和放大电路以及具有其的激光雷达。所述一种信号接收和放大电路，包括：光电传感器，配置成可接收光信号而转换为电信号；跨阻放大器，所述跨阻放大器具有输入端和输出端，所述跨阻放大器的输入端通过电容耦合到所述光电传感器的输出端；第一电压源，配置成为所述光电传感器提供偏置电压；比较器，第一输入端耦接到第一可调节电压源，第一输入端并通过所述电容耦接到所述跨阻放大器的输入端；第二输入端耦接到阈值电压；开关器件，所述开关器件具有控制端、第一端和第二端，所述控制端耦接到所述比较器的输出端，所述第一端耦接到第二电压源，所述第二端耦接到所述跨阻放大器的输入端或输出端。

Description

信号接收和放大电路以及具有其的激光雷达
技术领域
本发明涉及电路领域，尤其涉及一种信号接收和放大电路以及具有其的激光雷达。
背景技术
如图1所示，为本发明人已知的一种跨阻放大器(trans-impedance amplifier，TIA)的电路连接示意图。跨阻放大器在电路中具有广泛的用途，例如在激光雷达中通常包括光电传感器和跨阻放大器。光电传感器接收雷达回波信号，将光信号转换为电信号，例如为电流信号Iin。转换后的电信号通常比较微弱，因此需要使用跨阻放大器来进行放大，从而便于后续的信号采集、模数转换等处理操作。跨阻放大器的作用是将输入电流信号放大转换成电压信号输出，理想情况下，输出电压的脉冲宽度应当随输入电流脉冲的强度而单调展宽，所以在后续处理中可以测量脉冲宽度得到输入信号的信息。在输入电流Iin强度比较小的时候，跨阻放大器TIA未饱和，因而输出信号的脉冲宽度会随着输入电流增大而单调展宽。而当输入电流Iin的强度超过某个值后，受到跨阻放大器TIA饱和以及输入端外围电路的影响，输出脉冲不能继续单调展宽，从而对后续处理产生影响。
简单描述输入端外围电路对于输出信号脉冲宽度的影响。雪崩式光电二极管APD是一种常见的光电探测器，其可以将入射的光信号转换为电流信号。为了适应雪崩式光电二极管APD的不一致性，在TIA输入端增加可调电压源Vb(也就是所说的DAC数模转换器，它的作用是提供一个可调的电压源)，可调电压源Vb通过限流电阻连接到APD，为APD提供可调的偏置电压。Vb与TIA输入端直流电压V’in的值不一致，因此需要增加Cc电容，以隔离Vb电压与TIA输入端直流电压V’in。这种输入结构引起了输出脉冲非单调的问题，即TIA输出脉冲宽度不能随输入电流脉冲强度增强而单调展宽。
图2示出了图1电路的输入电流Iin、电压Vin、电压V’in以及跨阻放大器的输出电压Vout随时间的波形，下面参考图1和图2来描述图1电路的工作过程。图2中，实线的波形示出在输入电流Iin较小情况下(例如电容Cc充电未饱和)的各个电流和电压参数的波形，虚线的波形示出了在输入电流Iin较大情况下(例如电容Cc充电饱和)的各个电流和电压参数的波形。
如图2中的实线部分所示，当输入电流脉冲Iin较小时，输入电流脉冲Iin对电容Cc充电，Vin电压升高，V’in电压升高，TIA输出电压Vout降低，对TIA来说此时输入电流方向为流入TIA。输出电压Vout的脉冲宽度随输入电流脉冲Iin的强度而单调展宽。此时电容Cc充电未饱和，Iin消失后Cc可保证V’in电压缓慢下降恢复回到直流电平。
如图2中的虚线部分所示，当输入电流脉冲Iin较大时，在输入电流脉冲Iin消失后，受到RC时间常数的影响，Vin会有一定恢复时间，电阻R两端产生电压差，电阻上会产生电流成为新的TIA输入电流，对TIA来说这个电流方向为流出TIA，V’in电压跟随输入电流方向变化而快速下降(此时Cc电容充电饱和，V’in电压快速下降)，Vout电压快速上升，输出脉冲没有展宽而是产生了一个相反方向的脉冲。输入电流强度越大，反冲现象越明显，脉冲展宽非单调。这是不希望看到的。
发明内容
本发明提供一种信号接收和放大电路以及具有其的激光雷达，能够解决跨阻放大器TIA输入端Iin增大的情况下，输出电压脉冲后沿不能单调展宽的问题。
一方面，提供一种信号接收和放大电路，包括：
光电传感器，配置成可接收光信号而转换为电信号；
跨阻放大器，所述跨阻放大器具有输入端和输出端，所述跨阻放大器的输入端通过电容耦合到所述光电传感器的输出端；
第一电压源，配置成为所述光电传感器提供偏置电压；
比较器，所述比较器具有第一输入端、第二输入端和输出端，所述第一输入端耦接到第一可调节电压源，所述第一输入端并通过所述电容耦接到所述跨阻放大器的输入端；所述第二输入端耦接到阈值电压；
开关器件，所述开关器件具有控制端、第一端和第二端，所述控制端耦接到所述比较器的输出端，所述第一端耦接到第二电压源，所述第二端耦接到所述跨阻放大器的输入端或输出端。
其中所述第一电压源为可调节电压源。
其中所述开关器件包括PMOS管或NMOS管。
所述的信号接收和放大电路，还包括限流电阻，所述比较器的第一输入端通过所述限流电阻耦接到第一可调节电压源。
其中所述阈值电压为可调阈值电压。
其中当所述光电传感器的电信号小于信号阈值时，所述比较器输出低电平，所述开关断开；
当所述光电传感器的电信号高于信号阈值时，所述比较器输出高电平，所述开关导通，将所述跨阻放大器的输入端维持在高电平。
其中所述电信号为电流信号。
本发明还提供一种激光雷达，包括所述的信号接收和放大电路。
上述实施例中，增加了比较器支路。在小信号输入条件下，所述光电传感器的电信号小于信号阈值，所述比较器输出低电平，所述开关断开，跨阻放大器正常工作。在大信号输入条件下时，所述光电传感器的电信号高于信号阈值，所述比较器输出高电平，所述开关导通，将所述跨阻放大器的输入端强制地“钳制”在高电平，克服了现有技术中的反冲现象。随着光电传感器的输入电流的信号强度越高，光电传感器的输出信号Vin的脉冲宽度越宽，跨阻放大器的输出信号Vout的脉冲宽度与Vin的脉冲宽度保持一致，后沿可以随输入电流信号增强而单调展宽。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为现有技术中跨阻放大器的电路连接示意图；
图2为图1中跨阻放大器工作过程中各个参数的波形示意图；
图3为根据本发明一个实施例的一种信号接收和放大电路的电路示意图；
图4为图3中信号接收和放大电路的工作过程中各个参数的波形对比示意图；
图5为根据本发明另一实施例的一种信号接收和放大电路的电路示意图。
具体实施方式
在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"坚直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语"安装"、"相连"、"连接"应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接:可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之"上"或之"下"可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征"之上"、"上方"和"上面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征"之下"、"下方"和"下面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
图3示出了根据本发明一个实施例一种信号接收和放大电路10，下面参考图3详细描述。
如图3所示的，信号接收和放大电路10包括光电传感器PD、跨阻放大器TIA、第一电压源Vb、比较器U2以及开关器件Q。其中光电传感器PD例如为雪崩式光电二极管APD或者SiPM，其可以将入射的光束或者光子转换成电信号，电信号例如为电流信号Iin，其强度与入射光束的强度或者光子数目成比例。该电信号可以反映出入射光的强度或者光子的数目。光电传感器PD产生的电信号通常可能较为微弱，无法直接进行后续的采样、模数转换等信号处理操作，需要进行放大之后才能进行进一步的信号处理。为此，跨阻放大器TIA可以接收光电传感器PD产生的电流信号Iin，将其放大并转换为电压信号Vout并进行输出。另外在电流信号Iin中，真正有用的信号分量为交流分量，而直流分量通常对应于背景光或者环境噪声，因此为了将直流分量与跨阻放大器TIA隔离开来，在跨阻放大器TIA的输入端与所述光电传感器PD之间设置一电容Cc，从而隔离直流分量，仅允许交流分量通过并输入到跨阻放大器TIA的输入端。
所述光电传感器PD在工作过程中，为了实现光电信号的转换，需要在其两端施加一定的偏置电压。为此，如图3所示的，光电传感器PD的一端连接到高压HV，另一端耦接到第一电压源Vb，高压HV和第一电压源Vb提供了所述光电传感器PD的偏置电压，例如对于雪崩式光电二极管而言，使其工作在雪崩倍增状态下以实现光电信号的转换。为了给交流信号提供高阻通路，所述的信号接收和放大电路10还包括限流电阻R，所述光电传感器PD的输出端通过所述限流电阻R耦接到所述第一电压源Vb。在交流条件下，限流电阻R与电容Cc会分流，需要保证电阻R足够大才不会分走过多的交流电流，保证输入电流信号全部进入跨阻放大器TIA。
根据一个优选的实施例，所述第一电压源Vb为可调节的电压源。通常，不同的光电传感器PD之间很可能具有不一致性，即具有不同的光电转换特性；另外即使对于同一个光电传感器PD，在不同的环境(例如温度)下其工作特性可能也不同。光电传感器PD的工作特性通常与其偏置电压相关，因此通过增加可调电压源Vb，可以实现改变光电传感器PD的偏置电压的作用，使其工作特性尽可能保持一致。可调的第一电压源Vb例如可以通过数模转换器DAC实现，其接收端可接收一个数字码元序列，根据所接收的数字码元序列的不同，其可以输出不同的电压。
比较器U2具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端通过所述限流电阻R耦接到所述第一电压源Vb，同样耦接到所述光电传感器的输出端，所述第一输入端并通过所述电容Cc耦接到所述跨阻放大器TIA的输入端；所述第二输入端耦接到阈值电压；其中所述阈值电压可以为可调节的阈值电压。当所述比较器U2的第一端的输入电压Vin(即光电传感器的输出端的电压)高于所述阈值电压时，所述比较器U2的输出端输出高电平；反之当所述比较器U2的第一端的输入电压Vin低于所述阈值电压时，所述比较器U2的输出端输出低电平。根据本发明的一个实施例，所述阈值电压可以在电路设计过程中根据电容Cc和输入信号Iin的变化选定，通常可以进行电路仿真，扫描不同大小的输入信号，将输出脉冲出现非单调展宽现象时的Vin的值定为阈值。
开关器件Q具有控制端G、第一端D和第二端S，其中控制端G耦接到所述比较器U2的输出端，第一端D耦接到第二电压源VDD，第二端耦接到所述跨阻放大器TIA的输入端(如图3所示),或者所述第二端耦接到所述跨阻放大器的输出端(如图5所示，下面描述)。图3所示的开关器件Q为PMOS管。可替换的，开关器件Q也可以为NMOS管，这些都在本发明的保护范围内。
上述实施例中，增加了比较器支路，当所述光电传感器PD的电信号Iin较低时，比较器U2输出低电平，开关器件Q断开；当光电传感器PD的电信号Iin较高时，比较器U2输出高电平，开关Q导通，在电路上可等效为短路，从而可以将跨阻放大器TIA的输入端的电压V’in维持在高电平。光电传感器的输出端的电压Vin的变化取决于光电传感器的输出电流Iin对Cc充电的能力和RC放电时间。在RC固定的情况下，电流强度越大，Vin电压脉冲越宽。本发明在TIA电路的基础上增加一条比较器支路，利用比较器检测Vin电压，强制TIA的输入电压V’in单调展宽，从而经过TIA的输出电压脉冲可以实现单调展宽。
以下参考图4描述图3的信号接收和放大电路的工作原理。其中实线的波形示出在小信号输入条件下的各个电流和电压参数的波形，虚线的波形示出了在大信号输入条件下的各个电流和电压参数的波形。
如图4中的实线部分所示，在小信号输入条件下，也就是当入射光的强度较低时，所述光电传感器PD上产生的电流信号Iin较小。由于电流信号Iin较小，因此其对于电容Cc的充电也有限，光电传感器PD输出端的电压Vin也较低，低于比较器U2的阈值电压，因而此时比较器U2的输出端输出的是低电平，开关器件Q处于断开状态，此时跨阻放大器正常工作，跨阻放大器的输出电压Vout可以实现根据输入的电流信号Iin的强度而单调展宽。在此状态下，比较器与开关器件对于电路基本没有影响。
如图4中的虚线部分所示，在大信号输入条件下，也就是当入射光的强度较高时，所述光电传感器PD上产生的电流信号Iin较大。由于电流信号Iin较大，因此其可以在短时间内对于电容Cc进行快速充电，使得光电传感器PD输出端的电压Vin迅速升高，高于比较器U2的阈值电压，因而此时比较器U2的输出端的输出进行翻转，由低电平变为高电平，使得开关器件Q处于导通状态，此时开关器件Q在电路上可等效为短路，从而可以将跨阻放大器TIA的输入端的电压V’in维持在高电平，跨阻放大器的输出信号Vout维持在低电平。而当输入信号消失时，电流信号Iin消失，因此光电传感器PD输出端的电压Vin下降，当低于比较器U2的阈值电压时，比较器U2的输出端的输出翻转为低电平，因此开关器件Q关断，停止将跨阻放大器TIA的输入端的电压V’in钳制在高电平，电压V’in从高电平恢复到直流电平，跨阻放大器的输出电压Vout从低电平恢复到直流电平。在此过程中，跨阻放大器的输出电压Vout可以实现根据输入的电流信号Iin的强度而单调展宽。
因此，本发明中输入电流信号强度越高，Vin脉冲宽度越宽，输出信号脉冲宽度与Vin脉冲宽度保持一致，后沿随输入电流信号增强而单调展宽。
图3中示出了开关器件Q的第二端S耦接到所述跨阻放大器TIA的输入端。可替换的，如图5所示，开关器件Q的第二端S也可以耦接到所述跨阻放大器TIA的输出端。在此情况下，电路的工作原理同图3类似,此处不再赘述。
本发明还提供一种激光雷达，包括所述的信号接收和放大电路10。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种信号接收和放大电路，包括：
光电传感器，配置成可接收光信号而转换为电信号；
跨阻放大器，所述跨阻放大器具有输入端和输出端，所述跨阻放大器的输入端通过电容耦合到所述光电传感器的输出端；
第一电压源，配置成为所述光电传感器提供偏置电压，并通过所述电容耦接到所述跨阻放大器的输入端；
比较器，所述比较器具有第一输入端、第二输入端和输出端，所述第一输入端耦接到所述第一电压源，所述第一输入端并通过所述电容耦接到所述跨阻放大器的输入端；所述第二输入端耦接阈值电压；
开关器件，所述开关器件具有控制端、第一端和第二端，所述控制端耦接到所述比较器的输出端，所述第一端耦接到第二电压源，所述第二端耦接到所述跨阻放大器的输入端或输出端。
2.根据权利要求1所述的信号接收和放大电路，其中所述第一电压源为可调节电压源。
3.根据权利要求1或2所述的信号接收和放大电路，其中所述开关器件包括PMOS管或NMOS管。
4.根据权利要求3所述的信号接收和放大电路，还包括限流电阻，所述第一电压源通过所述限流电阻耦接到所述光电传感器，所述比较器的第一输入端通过所述限流电阻耦接到所述第一电压源。
5.根据权利要求1或2所述的信号接收和放大电路，其中所述阈值电压为可调阈值电压。
6.根据权利要求1或2所述的信号接收和放大电路，其中当所述光电传感器的电信号小于信号阈值时，所述比较器输出低电平，所述开关断开；
当所述光电传感器的电信号高于信号阈值时，所述比较器输出高电平，所述开关导通，将所述跨阻放大器的输入端维持高电平。
7.根据权利要求1或2所述的信号接收和放大电路，其中所述电信号为电流信号。
8.一种激光雷达，包括如权利要求1-7中任一项所述的信号接收和放大电路。
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