脉冲激光测距仪回波接收的增益可变跨阻放大器集成电路

摘要

本发明公开了一种用于脉冲激光测距仪回波接收的增益可变跨阻放大器集成电路，属于集成电路设计技术领域。该集成电路基于CMOS集成技术，光电探测器所产生的窄脉冲光电流信号由电流缓冲器和差分跨阻放大器转化成电压信号，经R-2R电阻衰减网络按数字控制输入给定的衰减倍数进行衰减后，由宽带电压放大器放大到一定幅度并经输出缓冲器缓冲输出。实现了现有脉冲激光测距仪中多个功能模块电路的单芯片集成，提高了接收电路的集成度，降低了系统批量生产成本。同时也有利于高集成度的多元激光回波探测的实现。

说明书

技术领域

本发明涉及集成电路设计技术，具体指一种用于脉冲激光测距仪回波接收的增益可变跨阻放大器集成电路，它用于对脉冲式激光测距仪的回波窄脉冲光电流信号进行转化和放大。

背景技术

与其他非接触测距方式相比，脉冲式激光测距具有结构简单、无需目标合作、测程远、测量速度快等优点，使其在航天、军事及工业领域都得到了广泛的应用。脉冲激光测距仪向目标发射一个光脉冲，经目标反射后由测距仪回波接收通道接收，测量光脉冲从发射到返到激光测距测距仪所经过的时间即可得到与目标间的距离。脉冲激光测距结合二维扫描或焦平面探测技术还可以实现目标的激光三维成像。回波接收通道一般由光电探测器和跨阻放大电路组成。跨阻放大电路用于将光电探测器输出的微弱窄脉冲电流信号转化和放大为一定幅度的电压脉冲信号。由于跨阻放大电路输出脉冲信号的信噪比以及上升时间直接影响到脉冲激光测距仪的单次测距精度，其增益、带宽及噪声性能对整个测距仪系统性能有着关键影响。

现有的用于脉冲激光测距仪回波接收的增益可变跨阻放大电路多采用多个芯片实现其功能。在这种情况下，高精度、高灵敏度和大动态范围的要求往往导致电路的功耗和体积过大，不利于激光测距仪系统的轻量化，小型化以及批量生产。同时芯片的外部互连使电路更易受电磁辐射干扰。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于CMOS集成电路技术的可用于脉冲激光测距仪回波接收的单片增益可变跨阻放大器，解决现有设计方法中存在的技术不足。

本发明的目的由如下技术途径实现的：

采用CMOS集成电路技术，如图1，电路模块包括电流缓冲输入级、差分跨阻放大器、R-2R电阻衰减网络、宽带电压放大器和输出缓冲器，其中：

1)电流缓冲输入级作为电路输入的第一级，基本电路示意图如图2。采用RGC电路(Regulated Cascode Circuit)，实现输入低阻抗和输出高阻抗，有效隔离了电路输入电容(包括光电探测器寄生电容和互连线寄生电容)和差分跨阻放大器的输入阻抗，减少较大的电路输入电容对电路带宽的影响。

2)差分跨阻放大器采用差分放大器加反馈电阻配置，将输入电流信号转化为电压信号。

3)R-2R电阻衰减网络实现电路图如图2。其中的电阻采用NMOS管实现，可以克服级间直接耦合时无源电阻衰减网络带来的偏置电平变化。偏置电平V_b与前级输出直流电平一致。采用3位二进制码数字控制方式，将3位二进制码转换为8位热独码，选定电阻衰减网络中相应结点输出，实现7步，每步进6-dB的增益变化。

4)宽带电压放大器采用多个跨导-跨阻电压放大器级联构成。跨导-跨阻放大器，如图4，内部由两级构成，第一级为跨导级，为输入电压信号提供跨导，第二级为跨阻级，其反馈电阻为第一级的跨导电流提供等效负载。采用这种电路配置可以通过增大反馈电阻来得到较大的电压增益。同时由于电路各极点不与反馈电阻直接关联，从而可以实现宽带应用。采用多个跨导-跨阻电压放大器级联，在保证一定带宽的前提下可提供足够的后级电压增益。

5)输出缓冲器采用源跟随器，实现小输出阻抗，提供足够的驱动能力，以便驱动片外阻性负载。

本发明的工作方式是：光电探测器通过电容耦合到芯片输入引脚，其产生的窄脉冲光电流信号由电流缓冲输入级和差分跨阻放大器转化成电压信号后，经R-2R电阻衰减网络按控制电路给出的3位二进制控制码进行相应倍数的衰减后，由宽带电压放大器放大到一定幅度并经输出缓冲器缓冲输出。

本发明对比已有技术具有一下优点：

1)采用CMOS集成技术，单芯片实现了增益可变的跨阻放大电路，可以减小电路的功耗和体积，有利于激光测距仪系统的轻量化，小型化以及批量生产。同时有利于高集成度的多元激光回波探测的实现。

2)减少了通过芯片的外部互连耦合的电磁辐射干扰。

3)跨阻放大器增益实现数字控制，其二进制控制码可以很方便的由激光测距仪数字控制电路产生，简化了系统的增益控制回路。

附图说明

图1为本发明的基本结构示意图，由电流缓冲输入级、差分跨阻放大器、R-2R电阻衰减网络、宽带电压放大器和输出缓冲器共五个部分组成。

图2为本发明的电流缓冲输入级的基本电路示意图，采用RGC电路(Regulated Cascode Circuit)。

图3为R-2R电阻衰减网络实现电路图。

图4宽带电压放大器中用到的跨导-跨阻放大器的电路图。其中NMOS管M₁、M₂、I_S1和负载电阻R_D1构成电路的第一级，即跨导级。NMOS管M₃、M4、I_S2、负载电阻R_D2和反馈电阻R_f构成电路的第二级，即跨阻级。

具体实施方式

实施例

采用0.6-μm混合信号CMOS工艺，设计具有如下输入输出要求的增益可变跨阻放大器集成电路：输入脉冲光电流幅值范围为0.1μA-10μA，上升时间为4ns，电路输入电容约为5pF，所要求的输出脉冲电压幅度范围约为1-2V。

为实现较高的测距精度，跨阻放大电路应保持尽量短的脉冲信号上升沿。根据信号理论，保持4ns上升时间的需要最小带宽约为110MHz。同时，根据输入输出信号幅度，跨阻放大器需提供的最大增益最小为120dBΩ，增益控制动态范围最小为40dB。

具体实施方案如下：

1)电流缓冲输入级采用RGC电路，调整各MOS管参数使输入阻抗约为100Ω，与5pF输入电容构成的极点在300MHz以外，不会对电路整体带宽产生影响。输出阻抗为20kΩ，同低输入阻抗的差分跨阻放大器直接耦合，保证了很小的电平损耗。

2)差分跨阻放大器采用差分放大器加反馈电阻配置，将输入电流信号转化为电压信号。反馈电阻采用NMOS管电阻，可实现较高跨阻增益。带有源随输出级，输出阻抗490Ω(单端)，可直接与R-2R电阻衰减网络耦合而不会有太大的增益损耗和带宽损耗。电流缓冲输入级和差分跨阻放大器级联，可实现85dBΩ增益(差分)及170MHz带宽。

3)R-2R电阻衰减网络中的电阻由NMOS管实现，通过片内偏置电压加偏置，设定R约为1kΩ。开关管为减少寄生效应，采用最小尺寸NMOS管。输入二进制控制字为3位，由3-8译码器转为8位热独码，从而实现共42dB的步进衰减控制。为不影响电路整体带宽，R-2R电阻衰减网络由缓冲器缓冲输出，以保证整体电路带宽性能。

4)宽带电压放大器中的跨导-跨阻放大器实现24dB(差分)电压增益，约230MHz带宽，采用2级级联，实现48dB的总增益和160MHz带宽。

5)输出缓冲器采用源随电路，实现100Ω输出阻抗，可直接驱动片外负载。整个跨阻放大集成电路实现131dBΩ最大增益，7步进，共42dB增益动态范围，以及120MHz带宽。