CN115833764A - 前端放大电路及光电系统 - Google Patents

Abstract

本申请实施例公开了一种前端放大电路及光电系统，前端放大电路包括光电转换电路、信号放大电路、延时电路以及钳位电路，光电转换电路具有用于接入偏置电压的电压偏置端以及信号输出端，信号放大电路具有放大输出端以及与信号输入端连接的放大输入端，延时电路具有延时输出端以及与放大输出端连接的延时输入端，钳位电路具有与延时输出端连接的控制端、用于接入钳位电压的钳位输入端以及与信号输出端连接的钳位输出端。通过该设计，能够有效缩短信号放大电路的饱和恢复时间，减少前端放大电路处于检测盲区的时间，从而提升光电系统如激光雷达系统的检测能力。

Description

前端放大电路及光电系统

技术领域

本申请涉及光电技术领域，尤其涉及一种前端放大电路及光电系统。

背景技术

在光电检测系统如激光雷达检测或者红外检测系统中，存在光线经目标物体反射后所携带的能量超过120dB的情况。由于目前光电检测系统中的信号放大电路的动态范围不足，当光线统经目标物体反射后所携带的能量过大时将导致信号放大电路处于饱和状态，而信号放大电路的饱和恢复时间(也即从饱和状态恢复到线性放大状态的时间)过长，会导致光电检测系统处于无法继续检测的盲区状态。因此，如何有效光电检测系统中的信号放大电路的饱和恢复时间已成为亟待解决的问题。

发明内容

本申请实施例提供一种前端放大电路及光电系统，能够有效缩短信号放大电路的饱和恢复时间，减少前端放大电路处于检测盲区的时间，从而提升光电系统如激光雷达系统的检测能力。

第一方面，本申请实施例提供了一种前端放大电路；该前端放大电路包括光电转换电路、信号放大电路、延时电路以及钳位电路，光电转换电路具有接入偏置电压的电压偏置端以及信号输出端，信号放大电路具有放大输出端以及与信号输入端连接的放大输入端，延时电路具有延时输出端以及与放大输出端连接的延时输入端，钳位电路具有与延时输出端连接的控制端、用于接入钳位电压的钳位输入端以及与信号输出端连接的钳位输出端。

基于本申请实施例的前端放大电路，当经目标物体反射后的光信号过强也即所携带的能量过大时，在光电转换电路将光信号转换成电信号后，光电转换电路的信号输出端输出较大的电信号，该较大的电信号从信号放大电路的放大输入端流入，并经信号放大电路放大成更大的电信号，该更大的电信号从信号放大电路的放大输出端流出，并从延时电路的延时输入端流入，并经延时电路处理后从延时电路的延时输出端流出，经延时电路处理后的电信号作用在钳位电路的控制端上，当经延时电路处理后的电信号的数值大于钳位电路的控制端的工作阈值时，钳位输入端与钳位输出端导通，形成能量消耗流路，以抵消部分从光电转换电路流向信号放大电路的能量，从而减小输入到信号放大电路的能量也即电信号，进而缩短信号放大电路处于饱和区的时间，从而可以缩短信号放大电路的饱和恢复时间。

在其中一些实施例中，延时电路包括第一电容，第一电容的第一极板与控制端共同连接至第一节点，第一电容的第二极板接地。

基于上述实施例，通过第一电容的设计，一方面第一电容能够对经由信号放大电路的放大输出端流出的较大的电信号进行滤波处理，以保证输入到钳位电路中的电信号的稳定性，另一方面第一电容能够储存部分经由信号放大电路的放大输出端流出的较大的电信号的能量，该能量在第一电容放电时能够作用于延长钳位电路的控制端，以延长钳位电路的钳位输入端与钳位输出端的导通时间，以延长能量消耗流路的持续时长，从而进一步缩短信号放大电路的饱和恢复时间。

在其中一些实施例中，延时电路还包括第一电阻，第一电阻串接于第一节点以及放大输出端之间。

基于上述实施例，通过第一电阻的设计，第一电阻能够对经由信号放大电路的放大输出端流出的较大的电信号进行限流处理实现有效分压，以有效降低因信号放大电路的放大输出端流出的过大的电信号而烧坏钳位电路的可能性。

在其中一些实施例中，钳位电路包括三极管，三极管的基极连接至控制端，三极管的集电极连接至钳位输入端，三极管的发射极连接至钳位输出端；或者，钳位电路包括场效应管，场效应管的栅极连接至控制端，场效应管的漏极连接至钳位输入端，场效应管的源极连接至钳位输出端。

基于上述实施例，通过设计三极管，经由延时电路的延时输出端输出的电信号作用在三极管的基极上，该电信号达到三极管的开通门限，触发三极管导通，使得三极管中形成由三极管的集电极流向三极管的发射极的上述能量消耗流路，该能量消耗流路的方向与经由光电转换电路的信号输出端输出的电信号的方向相反，以使该能量消耗流路能够与从光电转换电路的信号输出端输出的电信号进行矢量叠加，从而使流入信号放大电路的放大输入端的电信号小于或等于上述阈值，进而使信号放大电路工作在上述工作区来缩短信号放大电路的饱和恢复时间；同理，通过设计场效应管，经由延时电路的延时输出端输出的电信号作用在场效应管的栅极上，该电信号达到场效应管的开通门限，触发场效应管导通，使得场效应管中形成由场效应管的漏极流向场效应管的源极的上述能量消耗流路，该能量消耗流路的方向与经由光电转换电路的信号输出端输出的电信号的方向相反，以使该能量消耗流路能够与从光电转换电路的信号输出端输出的电信号进行矢量叠加，从而使流入信号放大电路的放大输入端的电信号小于或等于上述阈值，进而使信号放大电路工作在上述工作区来缩短信号放大电路的饱和恢复时间。

在其中一些实施例中，钳位电路还包括第二电阻，在钳位电路包括三极管时，第二电阻串接于钳位输入端与三极管的集电极之间，在钳位电路包括场效应管时，第二电阻串接于钳位输入端与场效应管的漏极之间。

基于上述实施例，通过第二电阻的设计，在三极管导通时，能够对从三极管的集电极流向三极管的发射极的上述能量消耗流路起到限流作用，在保证该能量消耗流路能够矢量叠加经由光电转换电路的信号输出端流出的较大的电信号的基础上，还能够对三极管起到良好的保护作用；同理，通过第二电阻的设计，在场效应管导通时，能够对从场效应管的漏极流向场效应管的源极的上述能量消耗流路起到限流作用，在保证该能量消耗流路能够矢量叠加经由光电转换电路的信号输出端流出的较大的电信号的基础上，还能够对场效应管起到良好的保护作用。

在其中一些实施例中，钳位输入端接入的钳位电压可调。

基于上述实施例，通过设计接入钳位电路的钳位输入端的钳位电压可调，设计人员能够根据实际需要自由地调节钳位电压，以更好地控制信号放大电路的饱和恢复时间。

在其中一些实施例中，信号放大电路包括跨阻放大器或者低噪声放大器。

基于上述实施例，通过设计跨阻放大器，跨阻放大器能够将经由光电转换电路的信号输出端流出的电流信号放大成更大的电压信号进行输出，并通过跨阻放大器的输出端口以及放大输出端作用于延时电路，通过电压信号对第一电容充电，实现前述延时功能，此时跨阻放大器输出到光电系统的后级电路的信号为电压信号，跨阻放大器由于具有较大的放大倍数，因此，能够将光电转换电路输出的电流信号放大呈较大的电压信号。同理，通过设计低噪音放大器，能够将经由光电转换电路的信号输出端输出的电信号转换成更大的电信号，并通过低噪音放大器的输出端口以及放大输出大端作用于延时电路，低噪音放大器由于能够对电信号中的有效信号进行倍数放大，而不对电信号中的噪音部分进行放大，因此，能够有效降低噪音信号对放大后的电信号的影响。

在其中一些实施例中，光电转换电路包括光电二极管和第三电阻，光电二极管的阴极连接至信号输出端，光电二极管的阳极与电压偏置端连接，第三电阻串接于光电二极管的阳极与电压偏置端之间。

基于上述实施例，通过将光电二极管的阳极连接至电压偏置端，通过电压偏置端向光电二极管施加反向偏置电压，使得光电二极管处于负偏压模式下被反向击穿，此时，光电二极管不仅能够将经目标物体反射的光信号转换成光电流信号，而且能够对光电流信号进行放大，且增益放大倍数约为；通过设计第三电阻，第三电阻起限流作用以保护光电二极管。

在其中一些实施例中，第三电阻与光电二极管的阳极之间具有第二节点，光电转换电路还包括第二电容，第二电容的第一极板连接至第二节点，第二电容的第二极板接地。

基于上述实施例，通过设计第二电容，第二电容对光电转换电路中的电信号起滤波作用。

第二方面，本申请实施例提供了一种光电系统，该光电系统包括控制器、光信号接收电路和光信号接收电路，光信号接收电路与控制器电性连接，光信号接收电路包括模数转换器、放大电路以及上述的前端放大电路，控制器、模数转换器、放大电路以及放大输出端依次连接。

基于本申请实施例中的光电系统，具有上述前端放大电路的光电系统，能够有效缩短信号放大电路的饱和恢复时间。

基于本申请实施例的前端放大电路及光电系统，当经目标物体反射后的光信号过强也即所携带的能量过大时，在光电转换电路将光信号转换成电信号后，光电转换电路的信号输出端输出较大的电信号，该较大的电信号从信号放大电路的放大输入端流入，并经信号放大电路放大成更大的电信号，该更大的电信号从信号放大电路的放大输出端流出，并从延时电路的延时输入端流入，并经延时电路处理后从延时电路的延时输出端流出，经延时电路处理后的电信号作用在钳位电路的控制端上，当经延时电路处理后的电信号的数值大于钳位电路的控制端的工作阈值时，钳位输入端与钳位输出端导通，形成能量消耗流路，以抵消部分从光电转换电路流向信号放大电路的能量，从而减小输入到信号放大电路的能量也即电信号，进而缩短信号放大电路处于饱和区的时间，从而可以缩短信号放大电路的饱和恢复时间。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请一种实施例中的前端放大电路的框架示意图；

图2为本申请一种实施例中的前端放大电路的电路示意图；

图3为本申请另一种实施例中的前端放大电路的电路示意图；

图4为本申请一种实施例中的光电系统的框架示意图。

附图标记：1、前端放大电路；10、光电转换电路；101、电压偏置端；102、信号输出端；20、信号放大电路；201、放大输入端；202、放大输出端；30、延时电路；301、延时输入端；302、延时输出端；40、钳位电路；401、控制端；402、钳位输入端；403、钳位输出端；C1、第一电容；C2、第二电容；R1、第一电阻；R2、第二电阻；R3、第三电阻；Z2、光电二极管；TIA、跨阻放大器；Z1、三极管；Q1、场效应管；G1、第一节点；G2、第二节点；HV、偏置电压；V-BAIS、钳位电压；2、控制器；21、发射控制端；22、接收控制端；3、模数转换器；4、放大电路；5、驱动芯片；6、氮化镓激光器；7、反向偏压电源调节电路。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

相关技术中，在光电检测系统如激光雷达检测或者红外检测系统中，为了提高光电检测系统的灵敏度，通常将光电检测系统的信号放大电路的放大倍数调整的比较大，以实现光电系统对小信号的检测。

但是，光电检测系统检测光信号的过程中，存在目标物体反射后的光线所携带的能量超过120dB(也即大信号)的情况，由于光电检测系统的信号放大电路的放大倍数较大，且目前光电检测系统中的信号放大电路的动态范围不足，故当目标物体反射后的光线所携带的能量过大时容易导致信号放大电路处于饱和状态，信号放大电路处于饱和状态时无法对输入信号进行正常放大，而信号放大电路的饱和恢复时间(也即从饱和状态恢复到线性放大状态的时间)过长，会导致光电检测系统长时间处于无法继续检测的盲区状态。因此，如何有效缩短光电检测系统中的信号放大电路的饱和恢复时间已成为亟待解决的问题。

请参照图1-图3所示，本申请的第一方面提出了一种前端放大电路1，前端放大电路1包括光电转换电路10、信号放大电路20、延时电路30以及钳位电路40，光电转换电路10具有用于接入偏置电压HV的电压偏置端101以及信号输出端102，信号放大电路20具有放大输出端202以及与信号输入端连接的放大输入端201，延时电路30具有延时输出端302以及与放大输出端202连接的延时输入端301，钳位电路40具有与延时输出端302连接的控制端401、用于接入钳位电压V-BAIS的钳位输入端402以及与信号输出端102连接的钳位输出端403。

以下结合图1-图3对前端放大电路1的具体实现方式进行展开介绍，前端放大电路1包括光电转换电路10、信号放大电路20、延时电路30和钳位电路40。

如图1所示，光电转换电路10用于接收经目标物体反射后的光线，并将该光线的光信号转换成电信号，光电转换电路10具有电压偏置端101和信号输出端102，电压偏置端101用于接入偏置电压HV。其中，电信号可以是电流信号，也可以是电压信号，信号输出端102可以理解成光电转换电路10中用于输出电信号的端口，关于光电转换电路10的具体电路结构将在下文进行展开介绍。

需要注意的是，当经目标物体反射后的光线所携带的光能量较大时，该光线经光电转换电路10处理后能够形成较大的电信号；同理，当经目标物体反射后的光线所携带的光能量较小时，该光线经光电转换电路10处理后能够形成相对较小的电信号。也就是说，经目标物体反射后的光线所携带的光能量与经光电转换电路10处理后所形成的电信号呈正相关，且该正相关关系可以是线性关系也可以是非线性关系。此外，光电转换电路10也可以具有一定的电信号放大功能。

信号放大电路20用于对从信号输出端102输出的电信号进行放大处理，信号放大电路20具有放大输入端201和放大输出端202，放大输入端201与信号输出端102连接。其中放大输入端201可以理解成信号放大电路20中用于接收电信号的端口，放大输出端202可以理解成信号放大电路20中用于输出更大的电信号的端口，关于信号放大电路20的具体电路结构将在下文进行展开介绍。此外，放大输入端201还可以连接至后续的信号处理电路，以实现光电系统的检测功能。

需要注意的是，经由信号输出端102输出的电信号可以是电压信号，该电压信号经由信号放大电路20处理后，可以转换成更大的电压信号，也可以转换成更大的电流信号；当然，经由信号输出端102输出的电信号也可以是电流信号，该电流信号经由信号放大电路20处理后，可以转换成更大的电压信号，也可以转换成更大的电流信号。

可以理解的是，信号放大电路20具有工作区(处于线性放大状态)和饱和区(处于饱和状态)，当信号放大电路20工作在工作区时，该信号放大电路20能够信号输出端102输出的电信号进行线性放大，当信号放大电路20工作在饱和区时，该信号放大电路20不能够对信号输出端102输出的电信号进行线性放大，此时，信号放大电路20处于非正常工作状态。可以理解的是，信号放大电路20从进入饱和区开始，从饱和区恢复到工作区所用的时间可以称为饱和恢复时间，在饱和恢复时间内，信号放大电路20因为无法对信号输出端102输出的电信号进行正常放大而处于上述非正常工作状态。

信号放大电路20具有工作阈值，其中，当由信号输出端102输出的电信号的数值小于或等于工作阈值时，该信号放大电路20工作在上述工作区，当由信号输出端102输出的电信号的数值大于工作阈值时，该信号放大电路20工作在上述饱和区。需要注意的是，上述工作阈值可以是电压阈值也可以是电流阈值，且上述工作阈值的具体取值是根据实际信号放大电路20中所采用的电子元件的型号来决定。

延时电路30用于对从放大输出端202输出的更大的电信号进行延时处理，并将更大的电信号转换成某一合适大小的电信号，延时电路30具有延时输出端302和延时输入端301，延时输入端301与放大输出端202连接。其中，延时输入端301可以理解成延时电路30中用于接入更大的电信号的端口，延时输出端302可以理解成延时电路30中用于输出某一合适大小的电信号的端口，需要注意的是，“某一合适大小的电信号”可以通过调整延时电路30中的各电子元件的额定参数经过相关电学公式计算得到，且并不是单一确定的数值。关于延时电路30的具体电路结构将在下文进行展开介绍。

钳位电路40用于减小流入放大输入端201的电信号，以使信号放大电路20在更多的时间工作在工作区，钳位电路40具有控制端401、钳位输入端402和钳位输出端403，控制端401与延时电路30的延时输出端302连接，钳位输入端402用于接入钳位电压V-BAIS，钳位输出端403与信号输出端102连接。其中，控制端401可以理解成钳位电路40中用于控制钳位输入端402和钳位输出端403的通断的端口，钳位输入端402可以理解成钳位电路40中的输入端口，钳位输出端403可以理解成钳位电路40中的输出端口，关于钳位电路40的具体电路结构将在下文进行展开介绍。

基于本申请实施例的前端放大电路1，当目标物体反射后的光信号过强也即所携带的能量过大时，在光电转换电路10将光信号转换成电信号后，信号输出端102输出较大的电信号，该较大的电信号从放大输入端201流入信号放大电路20，此时信号放大电路20工作在饱和区，并持续输出高电平给延时电路30，延时电路30接收高电平信号并作用在钳位电路40的控制端401上，以使钳位输入端402与钳位输出端403导通，形成能量消耗流路，以抵消部分从光电转换电路10流向信号放大电路20的能量，减小输入到信号放大电路20的能量也即电信号，从而缩短信号放大电路20处于饱和区的时间，进而可以缩短信号放大电路20的饱和恢复时间。

如图1-图3所示，考虑到经放大输出端202输出的较大的电信号携带有较多的能量，为充分利用该部分能量，故进一步设计，延时电路30包括第一电容C1，第一电容C1的第一极板与钳位电路40的控制端401共同连接至第一节点G1，第一电容C1的第二极板接地。该设计中，通过第一电容C1的设计，一方面第一电容C1能够对经由放大输出端202输出的较大的电信号进行滤波处理，以保证输入到钳位电路40中的电信号的稳定性，另一方面，在信号放大电路20处于饱和区而持续输出高电平信号时，第一电容C1能够储存部分经由放大输出端202输出的较大的电信号的能量，该能量在第一电容C1放电时能够作用于钳位电路40的控制端401，以延长钳位输入端402与钳位输出端403的导通时间，来延长能量消耗流路的持续时长，从而进一步缩短信号放大电路20的饱和恢复时间。

需要注意的是，第一电容C1的容量越大，第一电容C1所能够存储的能量就越多，能量消耗流路的持续时长越长，因此，可以通过调整第一电容C1的容量大小来调整能量消耗流路的持续时长，这里对第一电容C1的具体容量不做限定，设计人员可根据实际设计需要对第一电容C1的具体容量进行合理选择。

如图1-图3所示，进一步地，考虑到经信号放大电路20的信号输出端102流出的较大的电信号作为触发钳位电路40形成能量消耗流路的信号源，为避免较大的电信号损坏钳位电路40，故进一步设计，延时电路30还包括第一电阻R1，第一电阻R1串接于第一节点G1以及放大输出端202之间。该设计中，通过第一电阻R1的设计，第一电阻R1能够对经由放大输出端202输出的较大的电信号进行限流处理，实现有效分压，以有效降低因放大输出端202输出的过大的电信号而烧坏钳位电路40的可能性。

需要注意的是，第一电阻R1的阻值越大，第一电阻R1对较大的电信号的限流能力就越强，第一电阻R1两端的压降就越大，这里对第一电阻R1的具体阻值不做限定，设计人员可根据实际设计需要对第一电阻R1的具体阻值进行合理选择。

可以理解的是，第一电容C1与第一电阻R1共同构成RC延时电路，该RC延时电路决定了钳位电路40形成能量消耗流路的持续时长，也即决定了钳位电路40的导通时间，该导通时间即为延时电路30的延时时间τ，τ＝R1C1，而在实际测试过程中，τ满足条件式：10ns≤τ≤20ns，这样就可以快速消耗掉即将输入到信号放大电路20的过大能量，以有效缩短信号放大电路20的饱和恢复时间。

如图2-图3所示，考虑到钳位电路40用于减小流入放大输入端201的电信号，以使信号放大电路20尽可能地工作在工作区，关于钳位电路40的具体结构可以但不仅限于以下几种可实施方式。

如图2所示，在一些实施例中，钳位电路40包括三极管Z1，以三极管Z1为NPN型三极管为例进行说明，此时，三极管Z1的基极连接至钳位电路40的控制端401，三极管Z1的集电极连接至钳位输入端402，三极管Z1的发射极连接至钳位电路40的钳位输出端403。该设计中，通过设计三极管Z1，经由延时电路30的延时输出端302输出的电信号作用在三极管Z1的基极上，该电信号达到三极管Z1的开通门限时，触发三极管Z1导通，使得三极管Z1中形成由三极管Z1的集电极流向三极管Z1的发射极的上述能量消耗流路，该能量消耗流路的方向与经由信号输出端102输出的电信号的方向相反，以使该能量消耗流路能够与从信号输出端102输出的电信号进行矢量叠加，从而减小流入放大输入端201的电信号，也即减小输入到信号放大电路20的能量，进而缩短信号放大电路20的饱和恢复时间。

当然，三极管Z1也可以是PNP型三极管，此时，三极管Z1的基极连接至钳位电路40的控制端401，三极管Z1的发射极连接至钳位输入端402，三极管Z1的集电极连接至钳位电路40的钳位输出端403。

如图3所示，在另一些实施例中，钳位电路40包括场效应管Q1，以场效应管Q1为PMOS管为例进行说明，此时，场效应管Q1的栅极连接至钳位电路40的控制端401，场效应管Q1的漏极连接至钳位输入端402，场效应管Q1的源极连接至钳位电路40的钳位输出端403。该设计中，通过设计场效应管Q1，经由延时电路30的延时输出端302输出的电信号作用在场效应管Q1的栅极上，该电信号达到场效应管Q1的开通门限时，触发场效应管Q1导通，使得场效应管Q1中形成由场效应管Q1的漏极流向场效应管Q1的源极的上述能量消耗流路，该能量消耗流路的方向与由信号输出端102输出的电信号的方向相反，以使该能量消耗流路能够与从信号输出端102输出的电信号进行矢量叠加，从而减小流入放大输入端201的电信号，也即减小输入到信号放大电路20的能量，进而缩短信号放大电路20的饱和恢复时间。

当然，场效应管Q1也可以是NMOS管，此时，场效应管Q1的栅极连接至钳位电路40的控制端401，场效应管Q1的源极连接至钳位输入端402，场效应管Q1的漏极连接至钳位电路40的钳位输出端403。

如图2-图3所示，进一步地，考虑到钳位输入端402接入钳位电压V-BAIS，为避免该钳位电压V-BAIS过大而烧坏钳位电路40，故进一步设计，钳位电路40还包括第二电阻R2，钳位输入端402经由第二电阻R2接入钳位电压V-BAIS。

具体地，如图2所示，在一些实施例中，在钳位电路40包括NPN三极管Z1时，第二电阻R2串接于钳位输入端402与三极管Z1的集电极之间。该设计中，通过第二电阻R2的设计，在三极管Z1导通时，能够对从三极管Z1的集电极流向三极管Z1的发射极的能量消耗流路起到限流作用，在保证该能量消耗流路能够矢量叠加经由信号输出端102流出的较大的电信号的基础上，还能够对三极管Z1起到良好的保护作用。

具体地，如图3所示，在另一些实施例中，在钳位电路40包括PMOS管Q1时，第二电阻R2串接于钳位输入端402和场效应管Q1的漏极之间。该设计中，通过第二电阻R2的设计，在场效应管Q1导通时，能够对从场效应管Q1的漏极流向场效应管Q1的源极的能量消耗流路起到限流作用，在保证该能量消耗流路能够矢量叠加经由信号输出端102流出的较大的电信号的基础上，还能够对场效应管Q1起到良好的保护作用。

如图1-图2所示，进一步地，为更好地控制信号放大电路20的饱和恢复时间，故进一步设计，钳位输入端402接入的钳位电压V-BAIS可调。该设计中，通过设计接入钳位输入端402的钳位电压V-BAIS可调，设计人员能够根据实际需要自由地调节钳位电压V-BAIS，以更好地控制信号放大电路20的饱和恢复时间。具体地，钳位电压V-BAIS可接不同电源或者不同运放实现不同电压值的调整。

如图1-图3所示，考虑到信号放大电路20可以将经由信号输出端102输出的电信号转换成更大的电信号，为使信号放大电路20具备相关电信号的放大功能，故进一步设计，信号放大器包括跨阻放大器TIA或低噪音放大器。该设计中，通过设计跨阻放大器TIA，跨阻放大器TIA能够将经由信号输出端102流出的电流信号放大成更大的电压信号进行输出，并通过跨阻放大器TIA的输出端口以及放大输出端202作用于延时电路30，通过电压信号对第一电容C1充电，实现前述延时功能，此时跨阻放大器TIA输出到光电系统的后级电路的信号为电压信号，跨阻放大器TIA由于具有较大的放大倍数，因此，能够将光电转换电路10输出的电流信号放大成较大的电压信号。同理，通过设计低噪音放大器，能够将经由信号输出端102输出的电信号转换成更大的电信号，并通过低噪音放大器的输出端口以及放大输出大端202作用于延时电路30，低噪音放大器由于能够对电信号中的有效信号进行有效放大，而不对电信号中的噪音部分进行放大，因此，能够有效降低噪音信号对放大后的电信号的影响。

具体地，在一些实施例中，当信号放大电路20包括跨阻放大器TIA时，跨阻放大器TIA的正相输入端连接至所述放大输入端201，跨阻放大器TIA的反相输入端接地，跨阻放大器TIA的输出端口连接至放大输出端202。在另一些实施例中，当信号放大电路20包括低噪音放大器时，低噪音放大器的正相输入端连接至放大输入端201，低噪音放大器的输出端口连接至放大输出端202。

如图1-图3所示，考虑到光电转换电路10用于接收经目标物体反射后的光线，并将该光线的光信号转换成电信号，为使光电转换电路10具备光电信号的转换功能，故进一步设计，光电转换电路10包括光电二极管Z2和第三电阻R3，光电二极管Z2的阴极连接至信号输出端102，光电二极管Z2的阳极与光电转换电路10的电压偏置端101连接，第三电阻R3串接于光电二极管Z2的阳极与光电转换电路10的电压偏置端101之间。其中，光电二极管Z2可以是雪崩光电二极管APD或者是其他类型的光电二极管。该设计中，光电二极管Z2是雪崩光电二极管APD时，将光电二极管Z2的阳极连接至电压偏置端101，通过电压偏置端101向光电二极管Z2施加反向偏置电压，使得光电二极管Z2处于负偏压模式下被反向击穿，此时，光电二极管Z2不仅能够将经目标物体反射的光信号转换成光电流信号，而且能够对光电流信号进行放大，且增益放大倍数约为100；通过设计第三电阻R3，第三电阻R3起限流作用以保护光电二极管Z2。

如图1-图3所示，进一步地，当光电二极管Z2的阴极连接至信号输出端102时，第三电阻R3与光电二极管Z2的阳极之间具有第二节点G2，光电转换电路10还包括第二电容C2，第二电容C2的第一极板连接至第二节点G2，第二电容C2的第二极板接地。该设计中，通过设计第二电容C2，第二电容C2对光电转换电路10中的电信号起滤波作用。

以下结合空穴和电子来对上述前端放大器1的实现原理进行相关介绍。

当光电二极管Z2接收到光照时，光电二极管Z2处于反向击穿状态，光电二极管Z2将光信号转换成光电流信号，该光电流信号的方向从光电二极管Z2的阴极指向光电二极管Z2的阳极，也即该电流信号中带正电的空穴从光电二极管Z2的阴极流向光电二极管Z2的阳极，该电流信号中带负电的电子从光电二极管Z2的阳极流向光电二极管Z2的阴极。

当作用在场效应管Q1的栅极上的电压到达场效应管Q1的开通门限时，能量消耗流路的电流信号从场效应管Q1的漏极流向场效应管Q1的源极，也即该电流信号中带正电的空穴从场效应管Q1的漏极流向场效应管Q1的源极，该电流信号中带负电的电子从场效应管Q1的源极流向场效应管Q1的漏极。

而从能量消耗流路中流出的空穴能够与从光电二极管Z1的阴极流出的电子进行中和，从而减少流入跨阻放大器TIA的同相输入端的电子的数量，也即减减少流入到跨阻放大器TIA的能量，以达到减小信号放大电路20的饱和恢复时间的目的。

请参照图4所示，本申请的第二方面提出了一种光电系统，该光电系统包括控制器2、光信号发射电路和光信号接收电路，光信号发射电路与控制器2电性连接，光信号接收电路包括模数转换器3、放大电路4以及上述的前端放大电路1，控制器2、模数转换器3、放大电路4以及放大输出端202依次连接。其中，该光电系统可以是激光光电系统也可以是红外光电系统。该设计中，具有上述前端放大电路1的光电系统，能够有效缩短信号放大电路20的饱和恢复时间。

具体地，如图4所示，控制器2包括发射控制端21和接收控制端22，光信号发射电路包括驱动芯片5和氮化镓激光器6。其中，沿控制器2的发射控制端21所发射的电信号的方向上，控制器2的发射控制端21、驱动芯片5以及氮化镓激光器6依次连接，光信号发射电路发射的光信号经目标物体被反射后，被光电转换电路10接收，并经信号放大电路20放大后输出给放大电路4进一步放大、模数转换器3用于对接收到的模拟信号转换成数字信号，并发送给控制器2的接收控制端22，从而实现光检测功能；进一步地，控制器经2由反向偏压电源调节电路7与光电转换电路10连接，以调节输入到光电转换电路10的偏置电压HV。

本实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本申请的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”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申请和简化描述，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，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，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的具体含义。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种前端放大电路，其特征在于，包括：

光电转换电路，具有用于接入偏置电压的电压偏置端以及信号输出端；

信号放大电路，具有放大输出端以及与所述信号输出端连接的放大输入端；

延时电路，具有延时输出端以及与所述放大输出端连接的延时输入端；

钳位电路，具有与所述延时输出端连接的控制端、用于接入钳位电压的钳位输入端以及与所述信号输出端连接的钳位输出端。

2.如权利要求1所述的前端放大电路，其特征在于，所述延时电路包括：

第一电容，所述第一电容的第一极板与所述控制端共同连接至第一节点，所述第一电容的第二极板接地。

3.如权利要求2所述的前端放大电路，其特征在于，所述延时电路还包括：

第一电阻，所述第一电阻串接于所述第一节点以及所述放大输出端之间。

4.如权利要求1所述的前端放大电路，其特征在于，所述钳位电路包括：

三极管，所述三级管的基极连接至所述控制端，所述三级管的集电极连接至所述钳位输入端，所述三级管的发射极连接至所述钳位输出端；或者

场效应管，所述场效应管的栅极连接至所述控制端，所述场效应管的漏极连接至所述钳位输入端，所述场效应管的源极连接至所述钳位输出端。

5.如权利要求4所述的前端放大电路，其特征在于，所述钳位电路还包括：

第二电阻，在所述钳位电路包括所述三极管时，所述第二电阻串接于所述钳位输入端与所述三极管的集电极之间；在所述钳位电路包括所述场效应管时，所述第二电阻串接于所述钳位输入端与所述场效应管的漏极之间。

6.如权利要求1所述的前端放大电路，其特征在于，所述钳位输入端接入的钳位电压可调。

7.如权利要求1所述的前端放大电路，其特征在于，所述信号放大电路包括跨阻放大器或者低噪声放大器。

8.如权利要求1-7任一项所述的前端放大电路，其特征在于，所述光电转换电路包括：

光电二极管，所述光电二极管的阴极连接至所述信号输出端，所述光电二极管的阳极与所述电压偏置端连接；

第三电阻，串接于所述光电二极管的阳极与所述电压偏置端之间。

9.如权利要求8所述的前端放大电路，其特征在于，所述第三电阻与所述光电二极管的阳极之间具有第二节点；所述光电转换电路还包括：

第二电容，所述第二电容的第一极板连接至所述第二节点，所述第二电容的第二极板接地。

10.一种光电系统，其特征在于，包括：

控制器；

光信号发射电路，与所述控制器电性连接；

光信号接收电路，所述光信号接收电路包括模数转换器、放大电路以及如权利要求1-9任一项所述的前端放大电路，所述控制器、所述模数转换器、所述放大电路以及所述放大输出端依次连接。

Images