CN113285675A

CN113285675A - 一种具有宽动态范围和高电源抑制比的跨阻放大器

Info

Publication number: CN113285675A
Application number: CN202110638397.7A
Authority: CN
Inventors: 郭建平; 谭晓枫; 李开友
Original assignee: Sun Yat Sen University
Current assignee: Sun Yat Sen University
Priority date: 2021-06-08
Filing date: 2021-06-08
Publication date: 2021-08-20
Anticipated expiration: 2041-06-08
Also published as: CN113285675B

Abstract

本发明公开了一种具有宽动态范围和高电源抑制比的跨阻放大器，包括辅助跨阻放大器、第一核心放大器、第二核心放大器、第三核心放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第一电容、第二电容、第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第五开关、第六开关和三选一数据选择器，所述辅助跨阻放大器还包括第七开关、第八开关、第四核心放大器、第三电容和第四电阻。通过使用本发明，能够效扩展了跨阻放大器的动态范围并提高跨阻放大器的电源抑制比。本发明可广泛应用在集成电路技术领域。

Description

一种具有宽动态范围和高电源抑制比的跨阻放大器

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，尤其涉及一种具有宽动态范围和高电源抑制比的跨阻放大器。

背景技术

激光雷达的主要功能为测距与成像，因其探测距离远，测量精度高，抗干扰能力强等特点，被广泛应用于自动驾驶，地形测绘，智能家居，航空航天等领域。激光雷达基本工作原理为通过测量激光在发射与接收时的时间差来计算得到激光雷达与被测物体之间的距离，这种方法被飞行时间测距(TOF,Time of Flight)。激光雷达系统主要包括发射电路与接收电路，激光雷达发射电路发出激光，激光到达目标物后经过反射回到接收电路，接收电路利用光电二极管将光信号转换为电信号，并通过跨阻放大器，后级放大器，数字信号处理单元等结构实现测距和成像功能。

由于目标物的距离与反射率不同，导致接收电路接收到的光强变化范围很大。在目标物距离较远，反射率较低时，光电二极管接收的光强较弱；在目标物距离较近，反射率较高时，光电二极管接收的光强较强。这要求接收电路中的跨阻放大器同时具有处理大信号与小信号等能力，即具有较大的动态范围。常见的提高跨阻放大器动态范围的方法有两种：分级增益控制法和连续增益控制法。分级增益控制法通过不同增益级别的切换来实现大的动态范围，但难以保证各增益档位环路稳定性与带宽的恒定，连续增益控制法通过自动增益控制(AGC,automatic gain control)电路监测跨阻放大器输出信号从而动态调整跨阻放大器的跨阻阻值，但难以保证增益的线性度与跨阻阻值的稳定性。

此外，在激光雷达接收电路片上系统或者多通道跨阻放大器芯片中，由于芯片上存在多个电路模块，这些模块彼此之间会通过电源产生串扰，而由于芯片上的去耦电容大小是有限的，因此这就要求跨阻放大器有比较强的抗电源噪声干扰能力，即较高的电源抑制比。然而目前的电源抑制比增强电路较为复杂，需要设计额外的电路从而增加了额外的功耗与芯片面积。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有宽动态范围和高电源抑制比的跨阻放大器，以解决激光雷达领域中传统的跨阻放大器动态范围有限、对电源噪声的抗干扰能力差以及多通道实现时所需的电路面积较大并且功耗高等问题。

本发明所采用的第一技术方案是：一种具有宽动态范围和高电源抑制比的跨阻放大器，包括辅助跨阻放大器、第一核心放大器、第二核心放大器、第三核心放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第一电容、第二电容、第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第五开关、第六开关、三选一数据选择器，所述第一核心放大器的输入端、第一开关的第一端、第二开关的第一端、第三开关的第一端相连并与辅助跨阻放大器连接，所述第一开关的第二端与第一电阻的第一端连接，所述第一电阻的第二端、第三核心放大器的输出端和第四开关的第一端相连，所述第二开关的第二端、第一电容的第一端和第二电阻的第一端相连，所述第三开关的第二端、第二电容的第一端和第三电阻的第一端相连，所述第一核心放大器的输出端、第二核心放大器的输入端、第一电容的第二端、第二电阻的第二端、第五开关的第一端、第二电容的第二端、第三电阻的第二端和第六开关的第一端相连，所述第二核心放大器的输出端与第三核心放大器的输入端连接，所述第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第五开关、第六开关还与三选一数据选择器的输出端连接。

进一步，所述辅助跨阻放大器还包括第七开关、第八开关、第四核心放大器、第三电容和第四电阻，所述第七开关的第一端和第八开关的第一端相连并与第一核心放大器的输入端连接，所述第七开关的第二端与第四核心放大器的输入端连接，所述第八开关的第二端、第三电容的第一端和第四电阻的第一端相连，所述第四核心放大器的输出端、第三电容的第二端和第四电阻的第二端相连。

进一步，还包括第一高通滤波器、第二高通滤波器和第三高通滤波器，所述第一高通滤波器与第一核心放大器连接，所述第二高通滤波器分别与第二核心放大器和第三核心放大器连接，所述第三高通滤波器与辅助跨阻放大器连接。

进一步，所述第一核心放大器包括第一PMOS管、第一NMOS管和第二NMOS管，所述第一PMOS管的栅极和第一PMOS管的源极分别与第一高通滤波器连接，所述第一PMOS管的漏极、第一NMOS管的漏极、第二NMOS管的栅极和第二NMOS管的漏极相连，所述第一NMOS管的源极与第二NMOS管的源极连接。

进一步，所述第二核心放大器包括第二PMOS管、第三NMOS管、第四NMOS管和第五NMOS管，所述第二PMOS管的栅极和第二PMOS管的源极分别与第二高通滤波器连接，所述第二PMOS管的漏极、第三NMOS管的栅极和第三NMOS管的漏极相连，所述第三NMOS管的源极、第四NMOS管的漏极、第五NMOS管的栅极和第五NMOS管的漏极相连，所述第四NMOS管的栅极与第二NMOS管的漏极连接，所述第四NMOS管的源极与第五NMOS管的源极连接。

进一步，所述第三核心放大器包括第三PMOS管、第六NMOS管和第七NMOS管，所述第三PMOS管的栅极和第三PMOS管的源极分别与第二高通滤波器连接，所述第三PMOS管的漏极、第六NMOS管的漏极、第七NMOS管的栅极和第七NMOS管的漏极相连，所述第六NMOS管的源极与第七NMOS管的源极连接。

进一步，所述第四核心放大器包括第四PMOS管、第八NMOS管和第九NMOS管，所述第四PMOS管的栅极和第四PMOS管的源极分别与第三高通滤波器连接，所述第四PMOS管的漏极、第八NMOS管的漏极、第九NMOS管的栅极和第九NMOS管的漏极相连，所述第八NMOS管的源极与第九NMOS管的源极连接。

本发明的有益效果是：本发明首先通过在传统的多级增益控制反馈回路中引入一个辅助跨阻放大器来对大电流信号进行分流，从而有效扩展了跨阻放大器的动态范围，其次通过直接在跨阻放大器电路结构上进行改进来提高跨阻放大器的电源抑制比。

附图说明

图1是本发明一种具有宽动态范围和高电源抑制比的跨阻放大器的结构示意图；

图2是本发明一种具有宽动态范围和高电源抑制比的跨阻放大器的晶体管级电路图；

图3是本发明一种具有宽动态范围和高电源抑制比的跨阻放大器小信号模型示意图；

图4是本发明采用新型通道切换控制机制的多通道跨阻放大器；

图5是本发明结构跨阻放大器与传统结构的电源抑制比仿真对比图。

附图标记：-A1、第一核心放大器；-A2、第二核心放大器；-A3、第三核心放大器；-A4、第四核心放大器；R1、第一电阻；R2、第二电阻；R3、第三电阻；R4、第四电阻；C1、第一电容；C2、第二电容；C3、第三电容；S1、第一开关；S2、第二开关；S3、第三开关；S4、第四开关；S5、第五开关；S6、第六开关；S7、第七开关；S8、第八开关；MP1、第一PMOS关；MP2、第二PMOS管；MP3、第三PMOS管；MN1、第一NMOS管；MN2、第二NMOS管；MN3、第三NMOS管；MN4、第四NMOS管；MN5、第五NMOS管；MN6、第六NMOS管；MN7、第七NMOS管。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。

参照图1，本发明提供了一种具有宽动态范围和高电源抑制比的跨阻放大器，包括辅助跨阻放大器、第一核心放大器-A1、第二核心放大器-A2、第三核心放大器-A3、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第一电容C1、第二电容C2、第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3、第四开关S4、第五开关S5、第六开关S6、三选一数据选择器，所述第一核心放大器-A1的输入端、第一开关S1的第一端、第二开关S2的第一端、第三开关S3的第一端相连并与辅助跨阻放大器连接，所述第一开关S1的第二端与第一电阻R1的第一端连接，所述第一电阻R1的第二端、第三核心放大器-A3的输出端和第四开关S4的第一端相连，所述第二开关S2的第二端、第一电容C1的第一端和第二电阻R2的第一端相连，所述第三开关S3的第二端、第二电容C2的第一端和第三电阻R3的第一端相连，所述第一核心放大器-A1的输出端、第二核心放大器-A2的输入端、第一电容C1的第二端、第二电阻R2的第二端、第五开关S5的第一端、第二电容C2的第二端、第三电阻R3的第二端和第六开关S6的第一端相连，所述第二核心放大器-A2的输出端与第三核心放大器-A3的输入端连接，所述第一开关S1、第二开关S1、第三开关S3、第四开关S4、第五开关S5、第六开关S6还与三选一数据选择器的输出端连接。

具体地，第一电阻R1、第二电阻R2和第三电阻R3阻值关系为：R1>R2>R3。

进一步作为优选实施例，所述辅助跨阻放大器还包括第七开关S7、第八开关S8、第四核心放大器-A4、第三电容C3和第四电阻R4，所述第七开关S7的第一端和第八开关S8的第一端相连并与第一核心放大器-A1的输入端连接，所述第七开关S7的第二端与第四核心放大器-A4的输入端连接，所述第八开关S8的第二端、第三电容C3的第一端和第四电阻R4的第一端相连，所述第四核心放大器-A4的输出端、第三电容C3的第二端和第四电阻R4的第二端相连。

本发明一种具有宽动态范围和高电源抑制比的跨阻放大器的工作原理如下：

跨阻放大器由三档增益组成，大增益档利用三级反相放大器达到需要的增益和带宽；中增益档只利用一级反相放大器即可达到需要的增益和带宽，并可减小用于限制带宽的电容容值，减小芯片面积；小增益档也只利用一级反相放大器，并且采用辅助跨阻放大器结构消耗一半输入电流，可防止输出信号饱和，增大跨阻放大器动态范围。

在输入电流较小时，三选一数据选择器将第一开关S1和第四开关S4打开，选通较高增益的R1档，为了得到需要的带宽及保证环路稳定性，这里需要用到三级核心放大器-A1、-A2、-A3；在输入电流变大时，三选一数据选择器器将第二开关S2和第五开关S5打开，选通较低增益的R2档。此时只用到一级核心放大器-A1，可节约用于限制带宽的第一电容C1的值，节约芯片面积，并由于只采用一级核心放大器更容易实现电路的环路稳定；在输入电流很大时，三选一数据选择器将第三开关S3、第六开关S6、第七开关S7和第八开关S8打开，选通最低增益的R3档，并将辅助跨阻放大器打开。由于辅助跨阻放大器中第四核心放大器-A4、第四电阻R4、第三电容C3均与跨阻放大器中的第一核心放大器-A1、第三电阻R3、第二电容C2相同，故辅助放大器可在工艺温度电源电压变化的情况下，高精度地分走一半输入电流，从而实现将跨阻放大器动态范围增大一倍的功能。通过这种增益切换方式与辅助跨阻放大器结构，本电路实现了很宽的动态范围。

进一步作为优选实施例，还包括第一高通滤波器(Cc1、Rc1)、第二高通滤波器(Cc2、Rc2)和第三高通滤波器(Cc3、Rc3)，所述第一高通滤波器与第一核心放大器连接，所述第二高通滤波器分别与第二核心放大器和第三核心放大器连接，所述第三高通滤波器与辅助跨阻放大器连接。

进一步作为优选实施例，所述第一核心放大器-A1包括第一PMOS管MP1、第一NMOS管MN1和第二NMOS管MN2，所述第一PMOS管MP1的栅极和第一PMOS管MP1的源极分别与第一高通滤波器连接，所述第一PMOS管MP1的漏极、第一NMOS管MN1的漏极、第二NMOS管MN2的栅极和第二NMOS管MN2的漏极相连，所述第一NMOS管MN1的源极与第二NMOS管MN2的源极连接。

进一步作为优选实施例，所述第二核心放大器-A2包括第二PMOS管MP2、第三NMOS管MN3、第四NMOS管MN4和第五NMOS管MN5，所述第二PMOS管MP2的栅极和第二PMOS管MP2的源极分别与第二高通滤波器连接，所述第二PMOS管MP2的漏极、第三NMOS管MN2的栅极和第三NMOS管的漏极相连，所述第三NMOS管MN3的源极、第四NMOS管MN4的漏极、第五NMOS管MN5的栅极和第五NMOS管MN5的漏极相连，所述第四NMOS管MN4的栅极与第二NMOS管MN2的漏极连接，所述第四NMOS管MN4的源极与第五NMOS管MN5的源极连接。

进一步作为优选实施例，所述第三核心放大器-A3包括第三PMOS管MP3、第六NMOS管MN6和第七NMOS管MN7，所述第三PMOS管MP3的栅极和第三PMOS管MP3的源极分别与第二高通滤波器连接，所述第三PMOS管MP3的漏极、第六NMOS管MN6的漏极、第七NMOS管MN7的栅极和第七NMOS管MN7的漏极相连，所述第六NMOS管MN6的源极与第七NMOS管MN7的源极连接。

进一步作为优选实施例，所述第四核心放大器-A4包括第四PMOS管MP4、第八NMOS管MN8和第九NMOS管MN9，所述第四PMOS管MP4的栅极和第四PMOS管MP4的源极分别与第三高通滤波器连接，所述第四PMOS管MP4的漏极、第八NMOS管MN8的漏极、第九NMOS管MN9的栅极和第九NMOS管MN9的漏极相连，所述第八NMOS管MN8的源极与第九NMOS管MN9的源极连接。

对于提高跨阻放大器电源抑制比：参照图2，在普通三级反相放大器结构的跨阻放大器中的偏置管栅极处，引出RC高通滤波器，在保证其具有正常偏置电压的情况下耦合电源噪声并与电源处噪声相抵消，达到提高电源抑制比的功能；由于处于噪声环路稳定性的考虑，第一级所需偏置电流较大。为了节约偏置管面积并减小偏置管寄生电容，将第一级偏置管偏置在强饱和区。这需要较低的偏置电压VB1，所以第一级放大器单独使用一个RC高通滤波器。而第二级和第三级放大器共用一个RC高通滤波器，可进一步节约芯片面积。此外，在第二级反相放大器中引入二极管接法的MOS管，降低电源在第二级放大器输出处的分压，从而提高电路的电源抑制比；而且二极管接法的MOS管增大了第二级放大器的增益，在跨阻放大器所需带宽一定的情况下可降低第三级放大器的增益，即可使二极管接法负载第七NMOS晶体管MN7阻抗降低，从而降低电源在输出端的分压。而且，由于第三级放大器增益较小，电源噪声在第一级放大器和第二级放大器输出端的分压，在第三级不会进一步放大，从而比一般结构达到更高的电源抑制比。理论上第一级和第三级放大器均可以加入如第二级所示的二极管接法的MOS管，来提高整体电路的电源抑制比。但是对于第一级放大器：出于噪声环路稳定性的考虑，第一级放大器偏置电流较大。如加入二极管接法的MOS管，为了保证足够的电压裕度需采用较大宽长比的MOS管，这样需要消耗较大芯片面积；对于第三级放大器：如加入二极管接法的MOS管，将大幅减小输出电压摆幅。所以，第一级和第三级放大器均未加入二极管接法的MOS管。

图3为本发明跨阻放大器电路的小信号模型，由于电阻电容对C_C1和R_C1、C_C2和R_C2的阻值和容值分别相等，这里设C_C1＝C_C2＝C_C，R_C1＝R_C2＝R_C，将两条高通滤波路径等效为一条。图中将二极管接法的MN2，MN3，MN5，MN7管均等效为阻值为1/gm的电阻，C1、C2、C3分别为第一级，第二级和第三级放大器输出端的寄生电容，R_fb为反馈电阻，C_in为跨阻放大器的总输入电容。由基尔霍夫电压电流定律可得：

以跨阻阻值等于20kΩ为例，在增益带宽和功耗基本相同的条件下，分别对传统的三级推挽反相器型跨阻放大器和本发明的跨阻放大器进行电源抑制比的仿真。仿真结果如图5所示：可以看到在关心的频率范围1GHz以内，采用了本发明结构的跨阻放大器相对于传统的三级推挽反相器结构的跨阻放大器，电源抑制比改善了40dB左右。

进一步作为优选实施例，对跨阻放大器的多通道实现，如图4所示：包括m个跨阻放大器，每个跨阻放大器对应n个输入。电路工作时，每个跨阻放大器分别对应m组输入中的一个输入，并通过n选一数据选择器进行通道的切换。电路工作时，先通过n选一数据选择器使开关S1导通，从而选通输入信号IN11、IN21……INm1；然后改变n选一数据选择器控制信号使开关S2导通，从而选通输入信号IN12、IN22……INm2；……最后改变n选一数据选择器控制信号使开关S_n导通，从而选通输入信号IN1n,IN2n……INmn。故可在保证芯片面积功耗较小，测距成像速度较快的前提下实现使用m个跨阻放大器完成m×n个通道激光雷达接收电路的功能(m，n均为正整数)。

本发明相比传统三级反相放大器结构跨阻放大器，其电源抑制比可得到较大改善；而相对于传统的集成片上LDO的方法，本发明的方法结构简单，无需额外功耗与芯片面积；本发明中的增益切换方式在小增益档时由于只采用单级结构，环路稳定性较好且所需电容较小，提高了电路稳定性，节约了芯片面积；本发明中的辅助跨阻放大器结构可在输入信号较大时，分走一半输入电流，将动态范围提高了一倍，且辅助跨阻放大器只需单级放大器结构，增加的功耗不大；另外，本发明根据串并行相结合的想法提出了一种新型的多通道切换控制机制，在保证测距和成像速度的情况下，比一般的串行或并行结构节约了跨阻放大器数量，从而节约了芯片面积与功耗。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims

1.一种具有宽动态范围和高电源抑制比的跨阻放大器，其特征在于，包括辅助跨阻放大器、第一核心放大器、第二核心放大器、第三核心放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第一电容、第二电容、第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第五开关、第六开关和三选一数据选择器，所述第一核心放大器的输入端、第一开关的第一端、第二开关的第一端、第三开关的第一端相连并与辅助跨阻放大器连接，所述第一开关的第二端与第一电阻的第一端连接，所述第一电阻的第二端、第三核心放大器的输出端和第四开关的第一端相连，所述第二开关的第二端、第一电容的第一端和第二电阻的第一端相连，所述第三开关的第二端、第二电容的第一端和第三电阻的第一端相连，所述第一核心放大器的输出端、第二核心放大器的输入端、第一电容的第二端、第二电阻的第二端、第五开关的第一端、第二电容的第二端、第三电阻的第二端和第六开关的第一端相连，所述第二核心放大器的输出端与第三核心放大器的输入端连接，所述第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第五开关、第六开关还与三选一数据选择器的输出端连接。

2.根据权利要求1所述一种具有宽动态范围和高电源抑制比的跨阻放大器，其特征在于，所述辅助跨阻放大器还包括第七开关、第八开关、第四核心放大器、第三电容和第四电阻，所述第七开关的第一端和第八开关的第一端相连并与第一核心放大器的输入端连接，所述第七开关的第二端与第四核心放大器的输入端连接，所述第八开关的第二端、第三电容的第一端和第四电阻的第一端相连，所述第四核心放大器的输出端、第三电容的第二端和第四电阻的第二端相连。

3.根据权利要求2所述一种具有宽动态范围和高电源抑制比的跨阻放大器，其特征在于，还包括第一高通滤波器、第二高通滤波器和第三高通滤波器，所述第一高通滤波器与第一核心放大器连接，所述第二高通滤波器分别与第二核心放大器和第三核心放大器连接，所述第三高通滤波器与第四核心放大器连接。

4.根据权利要求3所述一种具有宽动态范围和高电源抑制比的跨阻放大器，其特征在于，所述第一核心放大器包括第一PMOS管、第一NMOS管和第二NMOS管，所述第一PMOS管的栅极和第一PMOS管的源极分别与第一高通滤波器连接，所述第一PMOS管的漏极、第一NMOS管的漏极、第二NMOS管的栅极和第二NMOS管的漏极相连，所述第一NMOS管的源极与第二NMOS管的源极连接。

5.根据权利要求4所述一种具有宽动态范围和高电源抑制比的跨阻放大器，其特征在于，所述第二核心放大器包括第二PMOS管、第三NMOS管、第四NMOS管和第五NMOS管，所述第二PMOS管的栅极和第二PMOS管的源极分别与第二高通滤波器连接，所述第二PMOS管的漏极、第三NMOS管的栅极和第三NMOS管的漏极相连，所述第三NMOS管的源极、第四NMOS管的漏极、第五NMOS管的栅极和第五NMOS管的漏极相连，所述第四NMOS管的栅极与第二NMOS管的漏极连接，所述第四NMOS管的源极与第五NMOS管的源极连接。

6.根据权利要求5所述一种具有宽动态范围和高电源抑制比的跨阻放大器，其特征在于，所述第三核心放大器包括第三PMOS管、第六NMOS管和第七NMOS管，所述第三PMOS管的栅极和第三PMOS管的源极分别与第二高通滤波器连接，所述第三PMOS管的漏极、第六NMOS管的漏极、第七NMOS管的栅极和第七NMOS管的漏极相连，所述第六NMOS管的源极与第七NMOS管的源极连接。

7.根据权利要求6所述一种具有宽动态范围和高电源抑制比的跨阻放大器，其特征在于，所述第四核心放大器包括第四PMOS管、第八NMOS管和第九NMOS管，所述第四PMOS管的栅极和第四PMOS管的源极分别与第三高通滤波器连接，所述第四PMOS管的漏极、第八NMOS管的漏极、第九NMOS管的栅极和第九NMOS管的漏极相连，所述第八NMOS管的源极与第九NMOS管的源极连接。