CN117849420A - 一种光电tia电路中的大电流保护电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种光电TIA电路中的大电流保护电路，属于保护电路领域，包括发光二极管、运放AMP、三极管Q0、转换电阻RF、补偿电容CF、施密特反相器和MOS管。NPN三极管基极接地，发射极接到APD点；该结构十分简洁，而且反应速度非常快，可以应对瞬态大电流的情形，同时可以直接集成在CMOS工艺中，节省成本和提高可靠性，特别适合对于速度要求极高的场景；施密特反相器和PMOS管控制电路，施密特反相器非常陡峭的转折电压和极高的速度可以应对精细的信号处理和高处理的要求；而PMOS管关断下的无电流避免了三极管器件的电流带来的误差，可以保证小信号下的精确处理。

Description

一种光电TIA电路中的大电流保护电路
技术领域
本发明涉及保护电路技术领域，特别涉及一种光电TIA电路中的大电流保护电路。
背景技术
在很多的电路中都涉及到大电流的保护问题，通常的做法是用一个放大器来检测电流值，然后使用比较器将检测值与设定值进行比较，用比较器的输出来控制电流通路。这种方法通常都是都是用于低速电路，或者用昂贵的分立器件来实现。
现在激光雷达广泛用于测距或者自动驾驶方面，其基本电路如图1所示，图1中的虚线框图是APD（Avalanche Photo Diode，光电雪崩二极管）的等效电路图，一个电流源和一个电容并联，这个电流源是通过光照在雪崩二极管上产生的，是一个动态的电流源；后面接一个TIA电路，TIA电路中的电阻RF将电流转换为电压便于后面的信号处理。
在高增益的TIA电路中，这个电阻RF通常要5K甚至更大，检测的信号电流是uA级别的很小电流。在很多应用中因为各种原因，电压VDD只有3.3V，因此电流不到1mA就能使信号饱和。不幸的是APD在某些情况下会产生达到3A的电流，显然基本TIA电路没有办法处理这么大的电流，如果没有大电流保护电路，TIA电路将被破坏。
有3种情况导致这种大电流保护电路设计比较困难：一是电流大且变化的速度特别快，图2是一种典型的大电流模型，从图2中可以看出电流在2ns的时间内从0变化到3A；二是在应用中不允许APD和TIA电路之间插入开关，因为光信号的处理极其快速和频繁；三是有些应用中OUT的饱和电压不是VDD，而是某一个中间值，例如1.75V。以上三个要求使得APD应用中的TIA电路的大电流保护电路实现方案非常困难，几乎都是独门秘籍。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光电TIA电路中的大电流保护电路，以解决背景技术中的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种光电TIA电路中的大电流保护电路，包括发光二极管、运放AMP、三极管Q0、转换电阻RF、补偿电容CF、施密特反相器和MOS管；
所述发光二极管的接口连接运放AMP的负端，两者的连接点为APD点，所述运放AMP的正端连接参考电压VREF；
所述三极管Q0的基极接到地，集电极接到电源VDD，发射极接到APD点；
所述转换电阻RF和所述补偿电容CF分别并联在运放AMP的输出点OUT和APD点之间；
所述MOS管的源端接到运放AMP的输出点OUT，漏端接到APD点；
所述施密特反相器的输出端接到所述MOS管的栅端，所述施密特反相器的输入端接到所述运放AMP的输出点OUT。
在一种实施方式中，所述发光二极管包括电流源I6和电容C3，所述电流源I6和电容C3并联；所述电流源I6的输出端接地。
在一种实施方式中，所述发光二极管产生的电流I6非常大时，所述运放AMP本身不能提供大电流，此时所述APD点产生很大的负压从而损坏电路；所述三极管Q0提供一个从电源VDD到APD点的大电流通路，以补偿I6的大电流，避免APD点过大的负压而损坏TIA电路。
在一种实施方式中，所述MOS管为PMOS管。
在一种实施方式中，所述施密特反相器将所述运放AMP的输出点OUT的饱和电压从VDD降到一个低于VDD的电压。
在一种实施方式中，所述三极管Q0为大尺寸NPN三极管。
本发明提供的一种光电TIA电路中的大电流保护电路，具有以下有益效果：
（1）NPN三极管基极接地，发射极接到APD点；该结构十分简洁，而且反应速度非常快，可以应对瞬态大电流的情形，同时可以直接集成在CMOS工艺中，节省成本和提高可靠性，特别适合对于速度要求极高的场景；
（2）施密特反相器和PMOS管控制电路，施密特反相器非常陡峭的转折电压和极高的速度可以应对精细的信号处理和高处理的要求；而PMOS管关断下的无电流避免了三极管器件的电流带来的误差，可以保证小信号下的精确处理。
附图说明
图1是最基本的APD应用TIA电路结构示意图。
图2是典型的APD大电流模型示意图。
图3是本发明提供的一种光电TIA电路中的大电流保护电路的结构示意图。
图4是大电流瞬态仿真波形示意图。
图5是小电流瞬态仿真波形示意图。
图6是大电流DC仿真波形示意图。
图7是小电流DC仿真波形示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种光电TIA电路中的大电流保护电路作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
本发明提供一种基于CMOS工艺集成到光电TIA电路中的大电流保护电路，该大电流保护电路在解决背景技术中三个问题的同时，不影响正常小电流信号的处理。
所述大电流保护电路的结构如图3所示，由电流源I6和电容C3构成的发光二极管的接口连接到运放AMP的负端，这里的连接点命名叫APD点，运放AMP的正端接到参考电压VREF。发光二极管上接一个大尺寸NPN三极管Q0，三极管Q0的基极接到地，集电极接到电源VDD，发射极接到APD点。在运放AMP的输出点OUT和APD点之间连接转换电阻RF和补偿电容CF。运放AMP的输出点OUT接到施密特反相器的输入端，施密特反相器的输出接到PMOS管M1的栅端，PMOS的源端接到运放AMP的输出点OUT，漏端接到APD点。
以下对本发明的大电流保护电路进行详细说明：
当发光二极管产生的电流I6非常大时，由于运放AMP本身不能提供大电流，那么APD点会产生很大的负压从而损坏电路。三极管Q0的作用就是提供一个从VDD到APD点的大电流通路，用来补偿I6的大电流，可以避免APD点过大的负压而损坏TIA电路。在高增益TIA电路中处理的信号电流都很小，在uA级别，因此TIA电路正常工作时，三极管Q0到APD点的电流要接近于0，不影响正常工作。将三极管Q0的基极接到地，正常工作时APD点的电压和参考电压VREF接近，通常在1.05V左右，因此npn三极管的BE（基极与发射极之间的电压差）严重反偏从而保证三极管Q0的电流忽略不计。
大电流时虽然三极管Q0保护了电路，但是只需要不大的电流，OUT就会到VDD；因此大电流时，OUT都是饱和到电压VDD，而有些应用中要求OUT的饱和电压要低于VDD。为了达到这个目的，电路中放了一个施密特反相器和一个PMOS管。施密特反相器的输入和输出分别接到运放AMP的输出点OUT和PMOS管的栅端，PMOS管的源端和漏端分别连接运放AMP的输出点OUT和APD点。选用施密特反相器的原因是将运放AMP的输出点OUT的饱和电压从VDD降到一个低于VDD的电压，是一个非常精细的动作，需要高精度和速度；而施密特反相器的转折点非常陡峭，而且电路只是一级反相器，因此速度也很快，恰好满足这个要求。选用PMOS管的原因是，当PMOS管关断时几乎没有电流，而如果选用三极管，那么随着OUT电压的变化，三极管的电流有较大的变化，则不符合精细处理的要求。
本发明的仿真结果：
本发明以GF018HV_GREEN工艺的电路仿真波形作为数据支撑，PMOS管是3.3V的器件，电源VDD是3.3V，参考电压VREF是1.8V。发光二极管的模型是一个电流源I6和一个2P的并联电容C3。TIA电路的转换RF为5K，仿真在TT/25°下进行。
图4是大电流瞬态仿真波形。电流是在2ns内从0到最大值，停留2ns然后在2ns时间内从最大降到0。红色的最大电流是3A，黄色的最大电流为100mA。从图4中可以看到，输出OUT都是饱和在2.2V左右。而APD点的最大负电压为-1.6V，这个电压是MOS管可以承受的范围，不会损坏电路。
图5是小电流瞬态仿真波形。红色最大电流设置为140uA，黄色最大电流设置为100uA；从波形中可以看出电路是正常工作的。
图6是大电流DC仿真波形，红色为最大电流3A，黄色为最大电流100mA；可以看出输出OUT的饱和电压是一致的。
图7是小电流DC仿真波形，红色为电流140uA，黄色为电流100mA；可以看出OUT的电压差值就是差值电流和RF的乘积，符合预期。
激光雷达TIA电路中偶尔产生的大电流和信号的小电流差别极大，对大电流保护电路提出了极高的要求。一方面要能有效保护电路，另外要不影响小信号处理。如果是非常瞬态的大电流的情形，电路设计就非常困难。因此很少有公开报道此类的保护电路，基本是各家的独门秘籍。
本发明通过巧妙的器件应用和布局，实现了CMOS工艺就能实现瞬态大电流保护和精确的饱和电压控制，既能有效保护电路，也不影响小信号处理；解决了技术难点的同时也降低了成本。本发明思路不仅是激光雷达，其他有类似的场景都可以借鉴应用，因此具有较大的实际使用价值。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (6)

1.一种光电TIA电路中的大电流保护电路，其特征在于，包括发光二极管、运放AMP、三极管Q0、转换电阻RF、补偿电容CF、施密特反相器和MOS管；
所述发光二极管的接口连接运放AMP的负端，两者的连接点为APD点，所述运放AMP的正端连接参考电压VREF；
所述三极管Q0的基极接到地，集电极接到电源VDD，发射极接到APD点；
所述转换电阻RF和所述补偿电容CF分别并联在运放AMP的输出点OUT和APD点之间；
所述MOS管的源端接到运放AMP的输出点OUT，漏端接到APD点；
所述施密特反相器的输出端接到所述MOS管的栅端，所述施密特反相器的输入端接到所述运放AMP的输出点OUT。
2.如权利要求1所述的光电TIA电路中的大电流保护电路，其特征在于，所述发光二极管包括电流源I6和电容C3，所述电流源I6和电容C3并联；所述电流源I6的输出端接地。
3.如权利要求2所述的光电TIA电路中的大电流保护电路，其特征在于，所述发光二极管产生的电流I6非常大时，所述运放AMP本身不能提供大电流，此时所述APD点产生很大的负压从而损坏电路；所述三极管Q0提供一个从电源VDD到APD点的大电流通路，以补偿I6的大电流，避免APD点过大的负压而损坏TIA电路。
4.如权利要求1所述的光电TIA电路中的大电流保护电路，其特征在于，所述MOS管为PMOS管。
5.如权利要求3所述的光电TIA电路中的大电流保护电路，其特征在于，所述施密特反相器将所述运放AMP的输出点OUT的饱和电压从VDD降到一个低于VDD的电压。
6.如权利要求1所述的光电TIA电路中的大电流保护电路，其特征在于，所述三极管Q0为大尺寸NPN三极管。
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Citations (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH09172330A (ja) * 1995-12-20 1997-06-30 Toshiba Corp 光受信器
CN1825756A (zh) * 2005-02-23 2006-08-30 三星电机株式会社 偏移电压补偿电路及方法
CN101154924A (zh) * 2006-09-27 2008-04-02 夏普株式会社 受光放大电路,光拾取装置及光盘装置
CN103424601A (zh) * 2013-08-21 2013-12-04 矽力杰半导体技术(杭州)有限公司 一种电压检测电路
CN104035047A (zh) * 2014-06-19 2014-09-10 上海科梁信息工程有限公司 航天电源单体电池模拟器及其模拟方法
CN204012657U (zh) * 2014-07-25 2014-12-10 万源市海铝科技有限公司 一种芯片的过温保护电路
CN104737442A (zh) * 2012-10-19 2015-06-24 德州仪器公司 跨阻抗型电子装置、具有此装置的光纤通信系统及操作此装置的方法
CN110994981A (zh) * 2019-11-13 2020-04-10 江苏弘历电气有限公司 一种非触头式高电压、大电流直流模块
US20200144971A1 (en) * 2018-11-06 2020-05-07 Velodyne Lidar, Inc. Systems and methods for tia base current detection and compensation
CN111327282A (zh) * 2018-12-17 2020-06-23 深圳市中兴微电子技术有限公司 一种控制电路、跨阻放大电路及控制方法
CN112260247A (zh) * 2020-12-23 2021-01-22 深圳市迅特通信技术有限公司 Apd保护电路及装置
CN116077039A (zh) * 2022-12-21 2023-05-09 上海交通大学 一种基于占空比电阻直流补偿的光电容积脉搏波检测电路
WO2023142315A1 (zh) * 2022-01-28 2023-08-03 探维科技(北京)有限公司 脉冲信号的放大电路、回波信号接收系统及激光雷达

Patent Citations (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH09172330A (ja) * 1995-12-20 1997-06-30 Toshiba Corp 光受信器
CN1825756A (zh) * 2005-02-23 2006-08-30 三星电机株式会社 偏移电压补偿电路及方法
CN101154924A (zh) * 2006-09-27 2008-04-02 夏普株式会社 受光放大电路,光拾取装置及光盘装置
CN104737442A (zh) * 2012-10-19 2015-06-24 德州仪器公司 跨阻抗型电子装置、具有此装置的光纤通信系统及操作此装置的方法
CN103424601A (zh) * 2013-08-21 2013-12-04 矽力杰半导体技术(杭州)有限公司 一种电压检测电路
CN104035047A (zh) * 2014-06-19 2014-09-10 上海科梁信息工程有限公司 航天电源单体电池模拟器及其模拟方法
CN204012657U (zh) * 2014-07-25 2014-12-10 万源市海铝科技有限公司 一种芯片的过温保护电路
US20200144971A1 (en) * 2018-11-06 2020-05-07 Velodyne Lidar, Inc. Systems and methods for tia base current detection and compensation
CN111327282A (zh) * 2018-12-17 2020-06-23 深圳市中兴微电子技术有限公司 一种控制电路、跨阻放大电路及控制方法
CN110994981A (zh) * 2019-11-13 2020-04-10 江苏弘历电气有限公司 一种非触头式高电压、大电流直流模块
CN112260247A (zh) * 2020-12-23 2021-01-22 深圳市迅特通信技术有限公司 Apd保护电路及装置
WO2023142315A1 (zh) * 2022-01-28 2023-08-03 探维科技(北京)有限公司 脉冲信号的放大电路、回波信号接收系统及激光雷达
CN116077039A (zh) * 2022-12-21 2023-05-09 上海交通大学 一种基于占空比电阻直流补偿的光电容积脉搏波检测电路

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
J. -E. JOO: "A CMOS Fully Differential Optoelectronic Receiver for Short-Range LiDAR Sensors", IEEE SENSORS JOURNAL, vol. 23, no. 5, 19 January 2023 (2023-01-19), pages 4930 - 4939 *
郝丽宏: "光电二极管与放大器集成器件OPT30", 《新特器件应用》, vol. 53, no. 2, 31 December 2009 (2009-12-31), pages 53 - 54 *

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