Включает в себя технологии проектирования интегральных схем, в частности, относится к интегральной схеме усилителя с переменным коэффициентом трансимпеданса, используемой для приема эха лазерного дальномера с импульсным лазером, которая используется для преобразования узкопульсного фототока эха лазерного дальномера и его усиления.
Сравнительно с другими методами бесконтактного дистанционного измерения, импульсное лазерное дальномерие имеет преимущества простой конструкции, отсутствия необходимости в сотрудничестве с целью, большого диапазона измерений и высокой скорости измерения, что делает его широко используемым в аэрокосмической, военной и промышленной сферах. Импульсный лазерный дальномер излучает световой импульс на цель. После отражения от цели он принимается каналом приема эха дальномера. Измеряя время, за которое световой импульс возвращается к лазерному дальномеру, можно получить расстояние до цели. Импульсное лазерное дальномерие в сочетании с двухмерным сканированием или технологией обнаружения фокальной плоскости также может достигать лазерной трехмерной визуализации цели. Канал приема эха обычно состоит из фотодетектора и схемы усилителя с трансимпедансом. Схема усилителя с трансимпедансом используется для преобразования и усиления слабого узкого импульсного тока, выходящего от фотодетектора, в импульсный напряженческий сигнал определенной амплитуды. Поскольку отношение сигнал/шум и время нарастания импульсного сигнала, выходящего от схемы усилителя с трансимпедансом, напрямую влияют на точность одиночного дистанционного измерения импульсного лазерного дальномера, его коэффициент усиления, полоса пропускания и шумовые характеристики имеют ключевое значение для производительности всей системы дальномера.
Существующие схемы трансимпедансного усиления с переменным коэффициентом, используемые для приема эха лазерного дальномера, в основном используют несколько чипов для реализации своих функций. В этом случае требования к высокой точности, высокой чувствительности и большому динамическому диапазону часто приводят к чрезмерному потреблению энергии и объему схемы, что не способствует облегчению, миниатюризации и массовому производству системы лазерного дальномера. В то же время внешние соединения чипа делают схему более подверженной электромагнитным радиационным помехам.
Цель состоит в том, чтобы предоставить монолитный усилитель переменной трансимпедансной усиления на основе технологии интегральных схем CMOS, который может быть использован для приема эха лазерного дальномера, и решить технические недостатки, существующие в существующих методах проектирования.
Цель достигается с помощью следующих технических средств:
Используя технологию интегральных схем CMOS, как показано на рисунке 1, модуль схемы включает в себя входной каскад буфера тока, дифференциальный трансимпедансный усилитель, сеть ослабления резисторов R-2R, широкополосный усилитель напряжения и выходной буфер, где:
1) Текущий этап ввода буфера является первым этапом входа цепи. Основная схема цепи показана на рисунке 2. Цепь RGC (Регулируемая каскодная цепь) используется для достижения низкого входного сопротивления и высокого выходного сопротивления, что эффективно изолирует входную емкость цепи (включая паразитную емкость фотодетектора и паразитную емкость соединительных линий) и входное сопротивление дифференциального трансимпедансного усилителя, уменьшая влияние входной емкости цепи на полосу пропускания цепи.
Дифференциальный трансимпедансный усилитель использует конфигурацию дифференциального усилителя с обратной связью и резистором для преобразования входного токового сигнала в напряжение.
Сигнал.
Схема цепи сети ослабления сопротивления R-2R показана на рисунке 2. Резисторы реализованы с использованием NMOS-транзисторов, что позволяет преодолеть изменения уровня смещения, вызванные пассивной сетью ослабления сопротивления при прямом соединении между ступенями. Уровень смещения Vb соответствует выходному уровню постоянного тока предыдущей ступени. Используется метод цифрового управления с 3-битным двоичным кодом для преобразования 3-битного двоичного кода в 8-битный уникальный код, и соответствующий выходной узел в сети ослабления резисторов выбирается для достижения 7 шагов изменения усиления на 6 дБ за шаг.
4) Широкополосный напряженческий усилитель состоит из нескольких каскадных усилителей с транскондуктивностью и трансимпедансом. Усилитель с транскондуктивностью и трансимпедансом, как показано на рисунке 4, состоит из двух внутренних ступеней. Первая ступень — это транскондуктивная ступень, которая обеспечивает транскондуктивность для входного напряженческого сигнала. Вторая ступень — это трансрезистивная ступень, и ее обратное сопротивление является транскондуктивностью первой ступени. Ток проводимости обеспечивает эквивалентную нагрузку. Используя эту конфигурацию схемы, можно получить большие напряженческие усиления, увеличивая обратное сопротивление. В то же время, поскольку каждый полюс схемы не связан напрямую с обратным сопротивлением, можно достичь широкополосных приложений. Использование нескольких каскадных усилителей с транскондуктивностью и трансимпедансом может обеспечить достаточное напряженческое усиление на выходе, обеспечивая при этом определенную полосу пропускания.
5) Выходной буфер использует источник следования для достижения малого выходного импеданса и обеспечения достаточной мощности для управления внешними резистивными нагрузками.
Метод работы:Фотодетектор соединен с входным контактом чипа через конденсатор, и узкий импульсный фототок, генерируемый им, преобразуется в напряженческий сигнал на входном этапе буфера тока и дифференциальном трансимпедансном усилителе, а затем проходит через сеть ослабления резисторов R-2R в соответствии с управляющей схемой. После ослабления заданного 3-битного двоичного управляющего кода соответствующим множителем, он усиливается до определенной амплитуды широкополосным напряженческим усилителем и буферизуется, а затем выводится через выходной буфер.
По сравнению с существующими технологиями, у него есть следующие преимущества:
1) Используя технологию интеграции CMOS, один чип реализует схему трансимпедансного усилителя с переменным усилением, что позволяет снизить потребление энергии и объем схемы, а также способствует облегчению, миниатюризации и массовому производству системы лазерного дальномера. В то же время это способствует реализации высокоинтегрированного многокомпонентного лазерного эхо-детектора.
2) Снижает электромагнитные радиационные помехи, передаваемые через внешние соединения чипа.
3) Увеличение трансимпедансного усилителя контролируется цифровым способом, и его двоичный управляющий код может быть легко сгенерирован цифровой управляющей схемой лазерного дальномера, что упрощает контур управления усилением системы.
Описание чертежей
Рисунок 1 представляет собой схематическую диаграмму базовой структуры настоящего изобретения, которая состоит из пяти частей: входной стадии буфера тока, дифференциального трансимпедансного усилителя, сети аттенюации резисторов R-2R, широкополосного напряженческого усилителя и выходного буфера.
Рисунок 2 представляет собой базовую схему цепи входной стадии буфера тока настоящего изобретения, использующую RGC-цепь (регулируемая каскадная цепь).
Рисунок 3 - это схема цепи реализации сети аттенюации резисторов R-2R.
Рисунок 4 Схема цепи усилителя с транскондуктивностью и трансимпедансом, используемого в широкополосном напряженческом усилителе. Среди них, NMOS транзисторы M1, М2, яС1 и нагрузочный резистор RД1 составляют первый этап схемы, то есть этап транскондуктивности. NMOS транзисторы M3, М4, ЯС2, нагрузочный резистор RД2 и обратная связь резистор Rf составляют второй этап схемы, то есть, этап транссопротивления.
Подробные способы
Пример
Используя 0.6-μм смешанную сигнализацию CMOS технологию, разработайте интегральную схему усилителя с переменным коэффициентом трансимпеданса с следующими входными и выходными требованиями: амплитуда входного импульсного фототока в диапазоне 0.1μA-10μA, время нарастания 4нс, а входная емкость схемы составляет примерно 5пФ. Требуемый диапазон амплитуды выходного импульсного напряжения составляет примерно 1-2В.
Для достижения более высокой точности диапазона, схема трансимпедансного усилителя должна поддерживать фронт импульсного сигнала как можно короче. Согласно теории сигналов, минимальная полоса пропускания, необходимая для поддержания времени нарастания 4 нс, составляет примерно 110 МГц. В то же время, в зависимости от амплитуды входного и выходного сигнала, максимальное усиление, которое должен обеспечить трансимпедансный усилитель, составляет не менее 120 дБ&Ом, а динамический диапазон управления усилением - не менее 40 дБ.
Конкретные планы реализации таковы:
1) Текущий этап ввода буфера использует цепь RGC. Настройте параметры каждого MOS-транзистора так, чтобы входное сопротивление составляло около 100 Ом. Полюс, образованный с входным конденсатором 5pF, находится за пределами 300 МГц, что не повлияет на общую полосу пропускания цепи. Выходное сопротивление составляет 20 кОм и напрямую соединено с дифференциальным трансимпедансным усилителем с низким входным сопротивлением, что обеспечивает очень небольшие потери уровня.
Дифференциальный трансимпедансный усилитель использует конфигурацию дифференциального усилителя с обратной связью и резистором для преобразования входного токового сигнала в напряженческий сигнал. Резистор обратной связи использует резистор на основе NMOS-транзистора, что позволяет достичь более высокого трансимпедансного усиления. С активной выходной ступенью, выходное сопротивление составляет 490Ω (однополярное), он может быть напрямую соединен с сетью затухания резисторов R-2R без значительных потерь усиления и ширины полосы. Входная ступень с токовым буфером и дифференциальный трансимпедансный усилитель каскадированы для достижения усиления 85dBΩ (дифференциальное) и ширины полосы 170MHz.
3) Сопротивление в сети аттенюации резисторов R-2R реализовано с помощью NMOS-транзистора. На кристалле добавляется смещающее напряжение, и R устанавливается примерно на 1kΩ. Для уменьшения паразитных эффектов используется NMOS-транзистор минимального размера. Входное двоичное управляющее слово составляет 3 бита, которое преобразуется в 8-битный уникальный код с помощью декодера 3-8, что позволяет достичь общей аттенюации управления на уровне 42dB. Чтобы не повлиять на общую полосу пропускания схемы, сеть аттенюации резисторов R-2R буферизует выход с помощью буфера, чтобы обеспечить производительность общей полосы пропускания схемы.
4) Транскондуктивный-трансимпедансный усилитель в широкополосном напряженческом усилителе достигает 24 дБ (дифференциального) усиления напряжения, примерно 230 МГц полосы пропускания, используя 2-ступенчатую каскадную схему для достижения 48 дБ общего усиления и 160 МГц полосы пропускания.
5) Выходной буфер использует схему источника следования для достижения выходного импеданса 100Ω и может напрямую управлять внешними нагрузками. Вся интегрированная схема усиления по току достигает максимального усиления 131dBΩ, 7 ступеней, общего динамического диапазона усиления 42dB и полосы пропускания 120MHz.
