Implique la technologie de conception de circuits intégrés, se réfère spécifiquement à un circuit intégré amplificateur transimpédance à gain variable utilisé pour la réception d'écho de télémètre laser à impulsion, qui est utilisé pour convertir le signal de photocourant d'impulsion étroite de l'écho du télémètre laser à impulsion et l'amplifier.
Comparé à d'autres méthodes de mesure de distance sans contact, le télémètre laser à impulsion présente des avantages tels qu'une structure simple, pas besoin de coopération de la cible, une longue portée de mesure et une vitesse de mesure rapide, ce qui le rend largement utilisé dans les domaines aérospatial, militaire et industriel. Le télémètre laser à impulsion émet une impulsion lumineuse vers la cible. Après avoir été réfléchie par la cible, elle est reçue par le canal de réception d'écho du télémètre. En mesurant le temps qu'il faut à l'impulsion lumineuse pour revenir au télémètre laser, la distance à la cible peut être obtenue. La télémétrie laser à impulsion combinée à la technologie de détection par balayage bidimensionnel ou de plan focal peut également réaliser une imagerie laser tridimensionnelle de la cible. Le canal de réception d'écho se compose généralement d'un photodétecteur et d'un circuit amplificateur transimpédance. Le circuit amplificateur transimpédance est utilisé pour convertir et amplifier le faible signal de courant d'impulsion étroite émis par le photodétecteur en un signal de tension d'impulsion d'une certaine amplitude. Étant donné que le rapport signal/bruit et le temps de montée du signal d'impulsion émis par le circuit amplificateur transimpédance affectent directement la précision de mesure unique du télémètre laser à impulsion, son gain, sa bande passante et ses performances en bruit ont un impact clé sur les performances de l'ensemble du système de télémétrie.
Les circuits d'amplification transimpédance à gain variable existants utilisés pour la réception d'écho de télémètre laser à impulsion utilisent principalement plusieurs puces pour réaliser leurs fonctions. Dans ce cas, les exigences de haute précision, de haute sensibilité et de large plage dynamique entraînent souvent une consommation d'énergie excessive et un volume du circuit, ce qui n'est pas propice à l'allègement, à la miniaturisation et à la production de masse du système de télémètre laser. En même temps, l'interconnexion externe de la puce rend le circuit plus susceptible aux interférences de rayonnement électromagnétique.
L'objectif est de fournir un amplificateur transimpédance à gain variable monolithique basé sur la technologie de circuit intégré CMOS qui peut être utilisé pour la réception d'écho de télémètre laser à impulsion, et de résoudre les lacunes techniques existantes dans les méthodes de conception actuelles.
L'objectif est atteint par les moyens techniques suivants :
En utilisant la technologie de circuit intégré CMOS, comme montré dans la Figure 1, le module de circuit comprend une étape d'entrée de tampon de courant, un amplificateur transimpédance différentiel, un réseau d'atténuation de résistance R-2R, un amplificateur de tension large bande et un tampon de sortie, où :
1) L'étape d'entrée de tampon de courant est la première étape de l'entrée du circuit. Le schéma de circuit de base est montré dans la Figure 2. Le circuit RGC (circuit cascode régulé) est utilisé pour obtenir une faible impédance d'entrée et une haute impédance de sortie, ce qui isole efficacement la capacité d'entrée du circuit (y compris la capacité parasite du photodétecteur et la capacité parasite de la ligne d'interconnexion) et l'impédance d'entrée de l'amplificateur transimpédance différentiel, réduisant l'effet de la capacité d'entrée du circuit sur la bande passante du circuit.
2) L'amplificateur transimpédance différentiel utilise une configuration d'amplificateur différentiel plus une résistance de rétroaction pour convertir le signal de courant d'entrée en signal de tension
Signal.
3) Le schéma du réseau d'atténuation de résistance R-2R est montré dans la Figure 2. Les résistances sont réalisées à l'aide de tubes NMOS, ce qui peut surmonter les changements de niveau de polarisation causés par le réseau d'atténuation de résistance passive lors du couplage direct entre les étapes. Le niveau de polarisation Vb est cohérent avec le niveau DC de sortie de l'étape précédente. La méthode de contrôle numérique par code binaire à 3 bits est utilisée pour convertir le code binaire à 3 bits en un code unique à 8 bits, et le nœud de sortie correspondant dans le réseau d'atténuation de résistance est sélectionné pour réaliser 7 étapes de changement de gain de 6 dB par étape.
4) L'amplificateur de tension large bande est composé de plusieurs amplificateurs de tension transconductance-transimpédance en cascade. L'amplificateur transconductance-transimpédance, comme montré dans la Figure 4, se compose de deux étapes en interne. La première étape est une étape de transconductance, qui fournit une transconductance pour le signal de tension d'entrée. La deuxième étape est une étape de transrésistance, et sa résistance de rétroaction est la transconductance de la première étape. Le courant conducteur fournit une charge équivalente. En utilisant cette configuration de circuit, des gains de tension plus importants peuvent être obtenus en augmentant la résistance de rétroaction. En même temps, puisque chaque pôle du circuit n'est pas directement lié à la résistance de rétroaction, des applications large bande peuvent être réalisées. L'utilisation de plusieurs amplificateurs de tension transconductance-transimpédance en cascade peut fournir un gain de tension suffisant en post-étape tout en garantissant une certaine bande passante.
5) Le tampon de sortie utilise un suiveur de source pour obtenir une faible impédance de sortie et fournir une capacité de conduite suffisante pour piloter des charges résistives hors puce.
La méthode de fonctionnement est : le photodétecteur est couplé à la broche d'entrée de la puce par un condensateur, et le signal de photocourant d'impulsion étroite généré par celui-ci est converti en un signal de tension par l'étape d'entrée de tampon de courant et l'amplificateur transimpédance différentiel, puis passe par le réseau d'atténuation de résistance R-2R selon le circuit de contrôle. Après avoir été atténué par le multiple correspondant au code de contrôle binaire à 3 bits donné, il est amplifié à une certaine amplitude par l'amplificateur de tension large bande et tamponné et sorti par le tampon de sortie.
Comparé aux technologies existantes, il présente les avantages suivants :
1) En utilisant la technologie d'intégration CMOS, une seule puce implémente un circuit amplificateur transimpédance à gain variable, ce qui peut réduire la consommation d'énergie et le volume du circuit, et est propice à l'allègement, à la miniaturisation et à la production de masse du système de télémètre laser. En même temps, cela favorise la réalisation d'une détection d'écho laser multi-éléments hautement intégrée.
2) Réduit les interférences de rayonnement électromagnétique couplées par les interconnexions externes de la puce.
3) Le gain de l'amplificateur transimpédance est contrôlé numériquement, et son code de contrôle binaire peut être facilement généré par le circuit de contrôle numérique du télémètre laser, simplifiant la boucle de contrôle de gain du système.
Description des dessins
La Figure 1 est un schéma de la structure de base de la présente invention, qui se compose de cinq parties : une étape d'entrée de tampon de courant, un amplificateur transimpédance différentiel, un réseau d'atténuation de résistance R-2R, un amplificateur de tension large bande et un tampon de sortie.
La Figure 2 est un schéma de circuit de base de l'étape d'entrée de tampon de courant de la présente invention, utilisant un circuit RGC (circuit cascode régulé).
La Figure 3 est un schéma de circuit de mise en œuvre du réseau d'atténuation de résistance R-2R.
La Figure 4 est un schéma de circuit d'un amplificateur transconductance-transimpédance utilisé dans un amplificateur de tension large bande. Parmi eux, les tubes NMOS M1, M2, IS1 et la résistance de charge RD1 constituent la première étape du circuit, c'est-à-dire l'étape de transconductance. Les tubes NMOS M3, M4, IS2, la résistance de charge RD2 et la résistance de rétroaction Rf constituent la deuxième étape du circuit, c'est-à-dire l'étape de transrésistance.
Méthodes détaillées
Exemple
En utilisant la technologie CMOS mixte-signal de 0,6 μm, concevoir un circuit intégré amplificateur transimpédance à gain variable avec les exigences d'entrée et de sortie suivantes : l'amplitude du photocourant d'entrée d'impulsion est de 0,1 μA à 10 μA, le temps de montée est de 4 ns, et la capacité d'entrée du circuit est d'environ 5 pF. L'amplitude de tension de sortie d'impulsion requise est d'environ 1 à 2 V.
Afin d'atteindre une précision de mesure plus élevée, le circuit amplificateur transimpédance doit garder le bord montant du signal d'impulsion aussi court que possible. Selon la théorie du signal, la bande passante minimale requise pour maintenir un temps de montée de 4 ns est d'environ 110 MHz. En même temps, selon l'amplitude des signaux d'entrée et de sortie, le gain maximum que l'amplificateur transimpédance doit fournir est d'au moins 120 dBΩ, et la plage dynamique de contrôle de gain est d'au moins 40 dB.
Les plans de mise en œuvre spécifiques sont les suivants :
1) L'étape d'entrée de tampon de courant utilise un circuit RGC. Ajustez les paramètres de chaque tube MOS afin que l'impédance d'entrée soit d'environ 100 Ω. Le pôle formé avec le condensateur d'entrée de 5 pF est en dehors de 300 MHz, ce qui n'affectera pas la bande passante globale du circuit. L'impédance de sortie est de 20 kΩ et est directement couplée à un amplificateur transimpédance différentiel avec une faible impédance d'entrée, garantissant une très faible perte de niveau.
2) L'amplificateur transimpédance différentiel utilise une configuration d'amplificateur différentiel plus une résistance de rétroaction pour convertir le signal de courant d'entrée en un signal de tension. La résistance de rétroaction utilise une résistance de tube NMOS, ce qui peut atteindre un gain de transimpédance plus élevé. Avec une étape de sortie active, l'impédance de sortie est de 490 Ω (simple), elle peut être directement couplée au réseau d'atténuation de résistance R-2R sans perte de gain ni perte de bande passante significative. Une étape d'entrée tamponnée par courant et un amplificateur transimpédance différentiel sont en cascade pour atteindre un gain de 85 dBΩ (différentiel) et une bande passante de 170 MHz.
3) La résistance dans le réseau d'atténuation de résistance R-2R est réalisée par un tube NMOS. La tension de polarisation sur puce est ajoutée à la polarisation, et R est réglé à environ 1 kΩ. Afin de réduire les effets parasites, le tube de commutation utilise le plus petit tube NMOS. Le mot de contrôle binaire d'entrée est de 3 bits, qui est converti en un code unique à 8 bits par le décodeur 3-8, réalisant ainsi un contrôle d'atténuation total de 42 dB par étapes. Afin de ne pas affecter la bande passante globale du circuit, le réseau d'atténuation de résistance R-2R tamponne.```
ers la sortie par un tampon pour garantir la performance de bande passante globale du circuit.
4) L'amplificateur transconductance-transimpédance dans l'amplificateur de tension large bande atteint un gain de tension de 24dB (différentiel), avec une bande passante d'environ 230MHz, utilisant une cascade à 2 étages pour atteindre un gain total de 48dB et une bande passante de 160MHz.
5) Le tampon de sortie utilise un circuit suiveur de source pour atteindre une impédance de sortie de 100Ω et peut directement piloter des charges hors puce. L'ensemble du circuit intégré d'amplification transimpédance atteint un gain maximum de 131dBΩ, 7 étapes, une plage dynamique de gain total de 42dB, et une bande passante de 120MHz.
```