CN112782670A - 一种适用于激光雷达模拟前端的小信号放大电路及芯片 - Google Patents

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Abstract

本发明属于集成电路技术领域，公开了一种适用于激光雷达模拟前端的小信号放大电路，包括：输入电路、预放大电路、第一、第二级电压放大器、自触发使能控制电路、自适应增益控制电路、选择器以及输出电路；预放大电路与输入电路相连；第一级电压放大器与预放大电路相连；第二、第一级电压放大器相连；自触发使能控制电路与第二级电压放大器相连；自适应增益控制电路与预放大电路以及第一级电压放大器相连；自适应增益控制电路与自触发使能控制电路相连；选择器与预放大电路、第一、第二级电压放大器相连；选择器还与自适应增益控制电路相连；输出电路与选择器相连。本发明提供的电路接收信号的动态范围大，响应速度快，低噪声，可用于多通道集成。

Description

一种适用于激光雷达模拟前端的小信号放大电路及芯片
技术领域
本发明涉及集成电路技术领域，特别涉及一种适用于激光雷达模拟前端的小信号放大电路及芯片。
背景技术
激光雷达接收器模拟前端电路多采用增益控制方式扩展接收回波信号的线性动态范围。其中线性模式增益控制需要外部引入清零信号，一般通过由FPGA产生或用START信号作为清零信号，但其只能检测和处理第一个回波信号，可编程增益控制方法引入了数字电路，结构复杂，噪声较大，不利于多通道的应用。
发明内容
本发明提供一种适用于激光雷达模拟前端的小信号放大电路及芯片，解决现有技术中激光雷达接收器模拟前端电路的接收信号的动态范围小，不适用于多通道结构的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种适用于激光雷达模拟前端的小信号放大电路，包括：输入电路、预放大电路、第一级电压放大器、第二级电压放大器、自触发使能控制电路、自适应增益控制电路、选择器以及输出电路；
所述预放大电路的输入端与所述输入电路相连，接输入信号并输出预放大信号和阈值电压信号；
所述第一级电压放大器的输入端与所述预放大电路的输出端相连，获取所述预放大信号和所述阈值电压信号并输出第一级放大信号；
所述第二级电压放大器的输入端与所述第一级电压放大器的输出端相连，获取所述第一级放大信号并输出第二级放大信号；
所述自触发使能控制电路的输入端与所述第二级电压放大器的输出端相连，获取第二级放大信号并输出复位清零信号；
所述自适应增益控制电路的输入端与所述预放大电路的输出端以及所述第一级电压放大器的输出端相连，获取所述预放大信号、所述阈值电压信号和所述第一级放大信号并比较所述阈值电压信号与所述预放大信号和所述第一级放大信号，并输出增益控制码；
所述自适应增益控制电路的输入端还与所述自触发使能控制电路的输出端相连，获取所述复位清零信号；
所述选择器的输入端分别与所述预放大电路的输出端、所述第一级电压放大器的输出端以及所述第二级电压放大器的输出端相连，获取所述预放大信号、所述阈值电压信号、所述第一级放大信号以及所述第二级放大信号；
所述选择器的控制端还与所述自适应增益控制电路相连，获取所述增益控制码，并选通输出端口；
所述输出电路与所述选择器的输出端口相连。
进一步地，所述预放大电路包括：第一预放大器和第二预放大器；
所述第一预放大器和所述第二预放大器分别与所述输入电路相连，并分别输出阈值电压信号和所述预放大信号。
进一步地，所述自触发使能控制电路包括：第三比较器、第三D触发器以及延时单元；
所述第三比较器的同相输入端与所述第二级电压放大器相连，获取所述第二级放大信号，所述第三比较器的反相输入端连接设定阈值电压，并输出脉冲信号；
所述第三D触发器的数据输入端接地，所述第三D触发器的时钟输入端与所述第三比较器的输出端相连，获取所述脉冲信号；
所述第三D触发器的数据锁存输出端通过所述延时单元与所述第三D触发器的RESET端相连；
所述第三D触发器的输出RST端与所述自适应增益控制电路相连。
进一步地，所述自适应增益控制电路包括：第一比较器、第二比较器以及逻辑控制器；
所述第一比较器的同相输入端与所述第二预放大器的输出端相连，获取所述预放大信号；
所述第二比较器的同相输入端与所述第一级电压放大器的输出端相连，获取所述第一级放大信号；
所述第一比较器的反相输入端以及所述第二比较器的反相输入端与所述第一预放大器相连，获取所述阈值电压信号；
所述逻辑控制器的输入端分别与所述第一比较器的输出端和所述第二比较器的输出端相连，并输出增益控制码；
所述逻辑控制器的复位清零端与所述自触发使能控制电路的输出端相连，获取复位清零信号。
进一步地，所述选择器包括：三组开关器件；
所述三组开关器件分别对应连接所述预放大电路的输出端、所述第一级电压放大器的输出端以及所述第二级电压放大器的输出端；
所述三组开关器件的控制端分别与所述自触发使能控制电路的输出端相连，获取所述增益控制码。
一种适用于激光雷达模拟前端芯片，采用所述的适用于激光雷达模拟前端的小信号放大电路
本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本申请实施例中提供的适用于激光雷达模拟前端的小信号放大电路及芯片，采用预放大电路、第一级电压放大器、第二级电压放大器、自触发使能控制电路、自适应增益控制电路以及选择器构成带有自触发的分段增益控制方案，分段增益控制提高了接收信号的动态范围，自触发电路复用放大链路自产生清零信号，无需外部引入清零信号，响应速度快，低噪声，可用于多通道。基于分段增益的方式，针对输入信号的大动态范围，将其分为三段，在每一段内实现线性的输出，从而提高TOF激光雷达线性动态范围。通过加入自适应增益控制电路，可以达到60dB线性动态范围。本发明不需要复杂的数字电路模块，利于集成，更适用于多通道，也可以避免数字模块对信号的干扰，提高系统的精度，可以对接收的每一个回波信号进行检测，并通过自适应增益控制电路对信号实时进行处理。
附图说明
图1为本发明实施例提供的适用于激光雷达模拟前端的小信号放大电路的原理框图；
图2为本发明实施例提供的自适应增益控制方法的原理示意图；
图3为本发明实施例提供的自适应增益控制电路的原理示意图；
图4为本发明实施例提供的逻辑控制器的原理示意图；
图5为本发明实施例提供的自触发使能控制电路的原理示意图。
具体实施方式
本申请实施例通过提供一种适用于激光雷达模拟前端的小信号放大电路及芯片，解决现有技术中激光雷达接收器模拟前端电路的接收信号的动态范围小，不适用于多通道结构的技术问题。
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细说明，应当理解本发明实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。
参见图1和图2，一种适用于激光雷达模拟前端的小信号放大电路，包括：输入电路、预放大电路、第一级电压放大器Av2、第二级电压放大器Av3、自触发使能控制电路、自适应增益控制电路、选择器以及输出电路。
所述预放大电路的输入端与所述输入电路相连，接入输入信号并输出预放大信号和阈值电压信号Vcm；所述第一级电压放大器Av2的输入端与所述预放大电路的输出端相连，获取所述预放大信号和所述阈值电压信号Vcm并输出第一级放大信号；所述第二级电压放大器Av3的输入端与所述第一级电压放大器Av2的输出端相连，获取所述第一级放大信号并输出第二级放大信号。
所述自触发使能控制电路的输入端与所述第二级电压放大器Av3的输出端相连，获取第二级放大信号并输出复位清零信号。
所述自适应增益控制电路的输入端与所述预放大电路的输出端以及所述第一级电压放大器Av2的输出端相连，获取所述预放大信号、所述阈值电压信号Vcm和所述第一级放大信号并输出增益控制码。
所述自适应增益控制电路的输入端还与所述自触发使能控制电路的输出端相连，获取所述复位清零信号。
所述选择器的输入端分别与所述预放大电路的输出端、所述第一级电压放大器Av2的输出端以及所述第二级电压放大器Av3的输出端相连，获取所述预放大信号、所述阈值电压信号Vcm、所述第一级放大信号以及所述第二级放大信号；所述选择器的控制端还与所述自适应增益控制电路相连，获取所述增益控制码，并选通输出端口；所述输出电路与所述选择器的输出端口相连。
本实施例中，所述预放大电路包括：第一预放大器Av11和第二预放大器Av12；所述第一预放大器Av11和所述第二预放大器Av12分别与所述输入电路相连，并分别输出阈值电压信号Vcm和所述预放大信号。
参见图5，所述自触发使能控制电路包括：第三比较器、第三D触发器D3以及延时单元；所述第三比较器的同相输入端与所述第二级电压放大器Av3相连，获取所述第二级放大信号，所述第三比较器的反相输入端连接设定阈值电压Vth，并输出脉冲信号；所述第三D触发器D3的数据输入端接地，所述第三D触发器D3的时钟输入端与所述第三比较器的输出端相连，获取所述脉冲信号；所述第三D触发器D3的数据锁存输出端通过所述延时单元与所述延时单元所述第三D触发器D3的RESET端相连；所述第三D触发器D3的输出RST端与所述自适应增益控制电路相连。
参见图3，所述自适应增益控制电路包括：第一比较器、第二比较器以及逻辑控制器；所述第一比较器的同相输入端与所述第二预放大器Av12的输出端相连，获取所述预放大信号；所述第二比较器的同相输入端与所述第一级电压放大器Av2的输出端相连，获取所述第一级放大信号；所述第一比较器的反相输入端以及所述第二比较器的反相输入端与所述第一预放大器Av11相连，获取殴阈值电压信号；所述逻辑控制器的输入端分别与所述第一比较器的输出端和所述第二比较器的输出端相连，并输出增益控制码；所述逻辑控制器的复位清零端与所述自触发使能控制电路的输出端相连，获取复位清零信号。
本实施例中，所述选择器包括：三组开关器件；所述三组开关器件分别对应连接所述预放大电路的输出端、所述第一级电压放大器Av2的输出端以及所述第二级电压放大器Av3的输出端；所述三组开关器件的控制端分别与所述自触发使能控制电路的输出端相连，获取所述增益控制码。
下面将具体说明，本实施例中，将输入信号很大的动态范围分为三段，在每一段内实现线性的输出，三组开关器件分别由自适应增益控制模块产生的一组增益码(S1，S2，S3)进行控制。信号源输出脉冲信号根据其峰值大小被分成三种情形：
当信号源输出信号峰值比较大时，自适应增益控制模块输出的增益码为(S1＝1，S2＝0，S3＝0)，系统工作于小增益模式；
当峰值信号源输出信号峰值中等时，自适应增益控制模块输出的增益码为(S1＝0，S2＝1，S3＝0)，系统工作于中等增益模式；
当峰值电流较小时，自适应增益控制模块输出的增益码为(S1＝0，S2＝0，S3＝1)，系统工作于高增益模式。
表1增益控制码表
S1 S2 S3
小增益 1 0 0
中等增益 0 1 0
大增益 0 0 1
自适应增益控制电路由阈值电压Vcm、两个比较器和逻辑控制电路构成。较器分别用于检测预放大和第一级电压放大器的输出，逻辑电路用于产生增益控制码(S1，S2，S3)。
电路具体工作原理如下：
第一比较器的同相输入端连接中预放大电路的输出端Vout12，用于检测预放大器的输出，当预放大器的输出电压大于比较器的阈值电压Vcm，则输出高电平。
第二比较器的同相输入端连接第一级电压放大器Av2的输出端Vout21，用于检测第二级电压放大器Av3的输出电压，当第二级电压放大器的输出电压大于第三比较器的阈值电压Vcm，则输出高电平。
两个比较器的输出经过逻辑控制电路处理，产生对应的增益控制码。清零信号(RST)用于对自适应增益控制电路进行清零，目的是为下一次检测做准备，该信号由自触发使能控制电路产生。
自触发使能控制电路由一个带复位的第三D触发器D3、第三比较器和一个延时单元构成，第三比较器检测第二级电压放大器Av3的输出与设定的阈值电压比较VTH1，产生脉冲信号，用作第三D触发器D3的时钟输入，其中第三D触发器D3的复位端是低电平有效的；具体工作原理：在时钟信号到来前D触发器会稳定在Q＝1，
Figure BDA0002873482410000081
由于输入端接地，即D＝0，当时钟信号到来时，Qn+1＝0，
Figure BDA0002873482410000082
输出端RST持续为高电平，经过延时单元延时后，低电平到达RESET端，D触发器被复位至Q＝1，
Figure BDA0002873482410000083
这样就得到了上升沿与时钟信号在同一时刻，而脉宽得到扩展的清零信号。
参见图4，本实施例中，逻辑控制器包括：第一D触发器D1，第二D触发器D2以及第一非门、第二非门、第三非门、第四非门、第五非门、第六非门、第七非门、第一或非门以及第二或非门。
所述第一D触发器D1的时钟输入端和所述第二D触发器D2的时钟输入端分别连接所述第一比较器和所述第二比较器的输出端。所述第一D触发器D1的输出端与所述第二非门，所述第一或非门以及第二或非门的输入端相连，所述第二非门的输出端与所述第三非门的输出端相连。
所述第二D触发器D2的输出端通过所述第一非门与所述第一或非门的输入端相连，所述第二D触发器D2的输出端还与所述第二或非门相连，所述第二或非门的输出端与所述第六非门相连，所述第六非门与所述第七非门相连。
本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本申请实施例中提供的适用于激光雷达模拟前端的小信号放大电路及芯片，采用预放大电路、第一级电压放大器、第二级电压放大器、自触发使能控制电路、自适应增益控制电路以及选择器构成带有自触发的分段增益控制方案，分段增益控制提高了接收信号的动态范围，自触发电路复用放大链路自产生清零信号，无需外部引入清零信号，响应速度快，低噪声，可用于多通道。基于分段增益的方式，针对输入信号的大动态范围，将其分为三段，在每一段内实现线性的输出，从而提高TOF激光雷达线性动态范围。通过加入自适应增益控制电路，可以达到60dB线性动态范围。本发明不需要复杂的数字电路模块，利于集成，更适用于多通道，也可以避免数字模块对信号的干扰，提高系统的精度，可以对接收的每一个回波信号进行检测，并通过自适应增益控制电路对信号实时进行处理。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种适用于激光雷达模拟前端的小信号放大电路，其特征在于，包括：输入电路、预放大电路、第一级电压放大器、第二级电压放大器、自触发使能控制电路、自适应增益控制电路、选择器以及输出电路；
所述预放大电路的输入端与所述输入电路相连，并输出预放大信号和阈值电压信号；
所述第一级电压放大器的输入端与所述预放大电路的输出端相连，获取所述预放大信号和所述阈值电压信号并输出第一级放大信号；
所述第二级电压放大器的输入端与所述第一级电压放大器的输出端相连，获取所述第一级放大信号并输出第二级放大信号；
所述自触发使能控制电路的输入端与所述第二级电压放大器的输出端相连，获取第二级放大信号并输出复位清零信号；
所述自适应增益控制电路的输入端与所述预放大电路的输出端以及所述第一级电压放大器的输出端相连，获取所述预放大信号、所述阈值电压信号和所述第一级放大信号并比较所述阈值电压信号与所述预放大信号和所述第一级放大信号，并输出增益控制码；
所述自适应增益控制电路的输入端还与所述自触发使能控制电路的输出端相连，获取所述复位清零信号；
所述选择器的输入端分别与所述预放大电路的输出端、所述第一级电压放大器的输出端以及所述第二级电压放大器的输出端相连，获取所述预放大信号、所述阈值电压信号、所述第一级放大信号以及所述第二级放大信号；
所述选择器的控制端还与所述自适应增益控制电路相连，获取所述增益控制码，并选通输出端口；
所述输出电路与所述选择器的输出端口相连。
2.如权利要求1所述的适用于激光雷达模拟前端的小信号放大电路，其特征在于，所述预放大电路包括：第一预放大器和第二预放大器；
所述第一预放大器和所述第二预放大器分别与所述输入电路相连，并分别输出阈值电压信号和所述预放大信号。
3.如权利要求1所述的适用于激光雷达模拟前端的小信号放大电路，其特征在于，所述自触发使能控制电路包括：第三比较器、第三D触发器以及延时单元；
所述第三比较器的同相输入端与所述第二级电压放大器相连，获取所述第二级放大信号，所述第三比较器的反相输入端连接设定阈值电压，并输出脉冲信号；
所述第三D触发器的数据输入端接地，所述第三D触发器的时钟输入端与所述第三比较器的输出端相连，获取所述脉冲信号；
所述第三D触发器的数据锁存输出端通过所述延时单元与所述第三D触发器的RESET端相连；
所述第三D触发器的输出RST端与所述自适应增益控制电路相连。
4.如权利要求2所述的适用于激光雷达模拟前端的小信号放大电路，其特征在于，所述自适应增益控制电路包括：第一比较器、第二比较器以及逻辑控制器；
所述第一比较器的同相输入端与所述第二预放大器的输出端相连，获取所述预放大信号；
所述第二比较器的同相输入端与所述第一级电压放大器的输出端相连，获取所述第一级放大信号；
所述第一比较器的反相输入端以及所述第二比较器的反相输入端与所述第一预放大器相连，获取所述阈值电压信号；
所述逻辑控制器的输入端分别与所述第一比较器的输出端和所述第二比较器的输出端相连，并输出增益控制码；
所述逻辑控制器的复位清零端与所述自触发使能控制电路的输出端相连，获取复位清零信号。
5.如权利要求4所述的适用于激光雷达模拟前端的小信号放大电路，其特征在于，所述选择器包括：三组开关器件；
所述三组开关器件分别对应连接所述预放大电路的输出端、所述第一级电压放大器的输出端以及所述第二级电压放大器的输出端；
所述三组开关器件的控制端分别与所述自触发使能控制电路的输出端相连，获取所述增益控制码。
6.一种适用于激光雷达模拟前端芯片，其特征在于，采用如权利要求1～5任一项所述的适用于激光雷达模拟前端的小信号放大电路。
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