具有自适应控制增益大动态范围的跨阻放大器的制作方法

本实用新型属于放大器技术领域，具体涉及一种具有自适应控制增益大动态范围的跨阻放大器。

背景技术：

激光成像系统中，其回波光学接收模块是接收回波信号并把光学信号转换为电信号，激光探测成像接收系统的灵敏度取决于采用的探测技术和探测器件的灵敏度，其整体性能和探测器的输出噪声及输出信噪比密切相关。在 3D成像激光雷达接收模块中，为获取回波脉冲的强度信息，通常采用线性工作模式APD探测回波脉冲光电流，接收器模块模拟前端跨阻放大器用于将回波脉冲光电流转换为电压信号，且具有线性跨阻增益值，故雷达接收器的输出电压与输入光功率成线性比例。由于受目标距离，反射率，大气传输等影响，回波脉冲的幅度变化范围大，故要求接收器模拟前端跨阻放大器具有既能够处理小微弱电流信号，又能处理大电流信号，即跨阻放大器要能够处理足够大动态范围的输入电流信号。现有跨阻增益多为固定恒定的值，若跨阻放大器的跨阻增益值太大，能够满足低输入光功率即微弱电流信号的灵敏度要求，但当输入光功率过大时，跨阻放大器会过载；另一方面，如果跨阻放大器增益值小，满足大输入光功率的过载要求，但当输入光功率小时，导致跨阻放大器的灵敏度降低，甚至不能检测到回波脉冲信号。因此，可以看到，成像激光雷达接收器模拟前端跨阻放大器的跨阻增益值设置与输入信号动态范围存在设计困难。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种具有自适应控制增益大动态范围的跨阻放大器，其设计四级放大器，通过幅度检测器检测跨阻预放大器一级放大信号强弱，进而选通对应开关器组，使跨阻放大器在大输入电流信号时不饱和或不过载，在低输入电流信号时，具有足够高灵敏度。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：具有自适应控制增益大动态范围的跨阻放大器，其特征在于：包括依次连接的四级放大器、输出缓冲器和信号处理单元，以及用于选择增益放大倍数的三组开关器和与信号处理单元相接且用于控制所述三组开关器工作的幅度检测器，其中，所述四级放大器包括依次串联的跨阻预放大器、单端输入转差分输出电路、固定增益放大器一和固定增益放大器二，用于放大输入电流信号并将放大的输入电流信号转换为电压信号；

输出缓冲器，用于将所述四级放大器输出的电压信号暂存；

所述三组开关器包括开关器组一、开关器组二和开关器组三，开关器组一，用于选通跨阻预放大器一级放大信号，并将所述一级放大信号传输至输出缓冲器；开关器组二，用于选通经跨阻预放大器、单端输入转差分输出电路和固定增益放大器一三级放大信号，并将所述三级放大信号传输至输出缓冲器；开关器组三，用于选通所述四级放大器四级放大信号，并将所述四级放大信号传输至输出缓冲器；

幅度检测器，用于检测跨阻预放大器一级放大信号的电压幅度，将跨阻预放大器一级放大信号的电压幅度转换为数字信号传输至信号处理单元，并控制开关器组一、开关器组二或开关器组三选通；

信号处理单元，用于接收幅度检测器输出的数字信号和输出缓冲器输出的电压信号，并对该电压信号进行处理。

上述的具有自适应控制增益大动态范围的跨阻放大器，其特征在于：所述跨阻预放大器包括伪反相器一以及并联在伪反相器一的输入端和输出端之间的反馈元件一。

上述的具有自适应控制增益大动态范围的跨阻放大器，其特征在于：所述单端输入转差分输出电路包括差分放大电路和与差分放大电路的反相输入端相接的基准放大器，差分放大电路的同相输入端与跨阻预放大器的输出端相接，基准放大器包括伪反相器二以及并联在伪反相器二的输入端和输出端之间的反馈元件二。

上述的具有自适应控制增益大动态范围的跨阻放大器，其特征在于：所述反馈元件一和反馈元件二均为电阻器或者电容器与电阻器的并联组件。

上述的具有自适应控制增益大动态范围的跨阻放大器，其特征在于：所述固定增益放大器一和固定增益放大器二均为全差分放大电路。

上述的具有自适应控制增益大动态范围的跨阻放大器，其特征在于：所述幅度检测器包括具有一个输入端和两个输出端的阈值产生电路以及具有两个输入端和三个输出端的逻辑电路，阈值产生电路通过电压比较器一和电压比较器二与逻辑电路连接，阈值产生电路的输入端与基准放大器的输出端相接，阈值产生电路的一个输出端与电压比较器一的反相输入端相接，阈值产生电路的另一个输出端与电压比较器二的反相输入端相接，电压比较器一的同相输入端和电压比较器二的同相输入端均与跨阻预放大器的输出端相接，电压比较器一的输出端与逻辑电路的一个输入端相接，电压比较器二的输出端与逻辑电路的另一个输入端相接，开关器组一、开关器组二或开关器组三分别由逻辑电路的三个输出端控制；所述阈值产生电路的一个输出端输出的电压阈值V_ref1小于阈值产生电路的另一个输出端输出的电压阈值V_ref2。

本实用新型与现有技术相比具有以下优点：

1、本实用新型跨阻放大器采用四级放大器对输入的电流信号进行逐级的放大，通过跨阻预放大器进行信号一级放大并电流电压转换，采用单端输入转差分输出电路将单输入单输出的信号转换为单输入双输出的信号，便于固定增益放大器一信号接收，便于推广使用。

2、本实用新型采用幅度检测器对该一级放大信号幅值进行检测，根据实际信号强度选择三组开关器中的一组开关器工作，实现输入信号合理放大，满足输出电压信号幅度与输入电流信号幅度成线性关系，可靠稳定，使用效果好。

3、本实用新型采用幅度检测器设置两个大小不同的电压阈值，形成三段电压范围，根据三段电压范围控制三组开关器不同的闭合状态，导通输出缓冲器，在通过信号处理单元将模拟电压信号转换为数字电压信号，即可满足微弱电信号的灵敏度要求，又可避免大输入电信号过载的问题。

综上所述，本实用新型设计新颖合理，可根据输入信号强弱选择信号放大级数，即可满足微弱电信号的灵敏度要求，又可避免大输入电信号过载的问题。

下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本实用新型跨阻放大器与光电转换器模块的电路连接框图。

图2为本实用新型四级放大器与光电转换器模块的电路连接关系示意图。

图3为本实用新型幅度检测器的电路原理图。

图4为本实用新型输出缓冲器与三组开关器的电路连接关系示意图。

图5为本实用新型跨阻预放大器的电路原理图。

图6为本实用新型基准放大器的电路原理图。

附图标记说明:

1—光电转换器模块；2—跨阻预放大器；2-1—伪反相器一；

2-2—反馈元件一；3—幅度检测器；3-1—阈值产生电路；

3-2—电压比较器二；3-3—电压比较器一；3-4—逻辑电路；

4—单端输入转差分输出电路；4-1—差分放大电路；

4-2—基准放大器；4-2-1—伪反相器二；4-2-2—反馈元件二；

5—固定增益放大器一；6—固定增益放大器二；7—开关器组一；

8—开关器组二；9—开关器组三；10—输出缓冲器；

11—信号处理单元。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型所述的具有自适应控制增益大动态范围的跨阻放大器，包括依次连接的四级放大器、输出缓冲器10和信号处理单元 11，以及用于选择增益放大倍数的三组开关器和与信号处理单元11相接且用于控制所述三组开关器工作的幅度检测器3，其中，

所述四级放大器包括依次串联的跨阻预放大器2、单端输入转差分输出电路4、固定增益放大器一5和固定增益放大器二6，用于放大输入电流信号并将放大的输入电流信号转换为电压信号；

输出缓冲器10，用于将所述四级放大器输出的电压信号暂存；

所述三组开关器包括开关器组一7、开关器组二8和开关器组三9，开关器组一7，用于选通跨阻预放大器2一级放大信号，并将所述一级放大信号传输至输出缓冲器10；开关器组二8，用于选通经跨阻预放大器2、单端输入转差分输出电路4和固定增益放大器一5三级放大信号，并将所述三级放大信号传输至输出缓冲器10；开关器组三9，用于选通所述四级放大器四级放大信号，并将所述四级放大信号传输至输出缓冲器10；

幅度检测器3，用于检测跨阻预放大器2一级放大信号的电压幅度，将跨阻预放大器2一级放大信号的电压幅度转换为数字信号传输至信号处理单元11，并控制开关器组一7、开关器组二8或开关器组三9选通；

信号处理单元11，用于接收幅度检测器3输出的数字信号和输出缓冲器10输出的电压信号，并对该电压信号进行处理。

如图5所示，本实施例中，所述跨阻预放大器2包括伪反相器一2-1 以及并联在伪反相器一2-1的输入端和输出端之间的反馈元件一2-2。

本实施例中，伪反相器一2-1由PMOS器件MP1和NMOS器件MN1构成，反馈元件一2-2并联在伪反相器一2-1的输入端和输出端之间是为了将输入的微弱电流信号放大并在跨阻放大器2的输出端输出电压信号，伪反相器一2-1的输出端V_out11为PMOS器件MP1的漏极和NMOS器件MN1的漏极的连接端。

如图2和图6所示，本实施例中，所述单端输入转差分输出电路4包括差分放大电路4-1和与差分放大电路4-1的反相输入端相接的基准放大器4-2，差分放大电路4-1的同相输入端与跨阻预放大器2的输出端相接，基准放大器4-2包括伪反相器二4-2-1以及并联在伪反相器二4-2-1的输入端和输出端之间的反馈元件二4-2-2。

基准放大器4-2与跨阻预放大器2采用电路结构与器件参数相同的电路且由PMOS器件MP2和NMOS器件MN2构成，目的是为了实现单端信号转差分信号；实际使用中，基准放大器4-2为伪反相器放大电路且为固定增益放大器一5提供差分放大的共模电压，伪反相器二4-2-1的输出端V_out12为PMOS器件MP2的漏极和NMOS器件MN2的漏极的连接端。

本实施例中，所述反馈元件一2-2和反馈元件二4-2-2均为电阻器或者电容器与电阻器的并联组件。

反馈元件一2-2和反馈元件二4-2-2均为电阻器时，电阻器在电路中的目的是限制放大倍数，现有运放其有效增益较大，若不对增益进行限制，运放很容易就进入锁死状态，通过电阻器为跨阻预放大器2和基准放大器 4-2确定一个确定的放大倍数。

反馈元件一2-2和反馈元件二4-2-2均为电容器与电阻器的并联组件时，具备限制放大倍数的同时可减小高频增益，滤除杂波波，抗干扰。

如图2所示，本实施例中，所述固定增益放大器一5和固定增益放大器二6均为全差分放大电路。

固定增益放大器一5和固定增益放大器二6均为双输入双输出的固定电压增益放大器，采用其输出电压幅度与输入电压幅度之比获取电压增益数值，电压增益可根据具体激光成像系统进行设计，固定增益放大器一5 和固定增益放大器二6的设置是为了使跨阻放大器获得的等效输出电压与跨阻放大器的输入电流信号成线性比例关系。

如图3所示，本实施例中，所述幅度检测器3包括具有一个输入端和两个输出端的阈值产生电路3-1以及具有两个输入端和三个输出端的逻辑电路3-4，阈值产生电路3-1通过电压比较器一3-3和电压比较器二3-2 与逻辑电路3-4连接，阈值产生电路3-1的输入端与基准放大器4-2的输出端相接，阈值产生电路3-1的一个输出端与电压比较器一3-3的反相输入端相接，阈值产生电路3-1的另一个输出端与电压比较器二3-2的反相输入端相接，电压比较器一3-3的同相输入端和电压比较器二3-2的同相输入端均与跨阻预放大器2的输出端相接，电压比较器一3-3的输出端与逻辑电路3-4的一个输入端相接，电压比较器二3-2的输出端与逻辑电路 3-4的另一个输入端相接，开关器组一7、开关器组二8或开关器组三9 分别由逻辑电路3-4的三个输出端控制；所述阈值产生电路3-1的一个输出端输出的电压阈值V_ref1小于阈值产生电路3-1的另一个输出端输出的电压阈值V_ref2。

如图4所示，实际使用中，阈值产生电路3-1的设置是为了输出电压阈值V_ref1和电压阈值V_ref2，电压阈值V_ref1作为电压比较器一3-3的反相输入端的输入电压，电压阈值V_ref2作为电压比较器二3-2的反相输入端的输入电压，其中，V_ref1<V_ref2，阈值产生电路3-1的输入共模电压为基准放大器 4-2的输出电压，当V_out11>V_ref2时，电压比较器二3-2输出低电平，电压比较器一3-3输出低电平，使逻辑电路3-4输出S1为高电平，且S2和S3 为低电平；当V_ref1<V_out11<V_ref2时，电压比较器二3-2输出高电平，电压比较器一3-3输出低电平，使逻辑电路3-4输出S2为高电平，且S1和S3为低电平；当V_out11<V_ref1时，电压比较器二3-2输出高电平，电压比较器一3-3 输出高电平，使逻辑电路3-4输出S3为高电平，且S1和S2为低电平。

开关器组一7、开关器组二8或开关器组三9分别由逻辑电路3-4的三个输出端控制且为高电平触发，当V_out11>V_ref2时，逻辑电路3-4输出S1 为高电平，且S2和S3为低电平，开关器组一7被触发接通，跨阻预放大器2一级信号放大后经输出缓冲器10暂存输出，实现输入电流信号一级放大；当V_ref1<V_out11<V_ref2时，逻辑电路3-4输出S2为高电平，且S1和S3 为低电平，开关器组二8被触发接通，跨阻预放大器2、单端输入转差分输出电路4和固定增益放大器一5三级信号放大后经输出缓冲器10暂存输出，实现输入电流信号三级放大；当V_out11<V_ref1时，逻辑电路3-4输出S3 为高电平，且S1和S2为低电平，跨阻预放大器2、单端输入转差分输出电路4、固定增益放大器一5和固定增益放大器二6四级信号放大后经输出缓冲器10暂存输出，实现输入电流信号四级放大。

输出缓冲器10由晶体管MN11和MN12构成差分输入端，电阻RP1和 RP2作为匹配电阻器，NMOS晶体管MN10为差分输入晶体管MN11和MN12 提供偏置电流源；实际使用中，开关器组一7为控制型开关组TG1，控制型开关组TG1由控制型开关TG11和控制型开关TG12构成，其中，控制型开关TG11的输入端连接伪反相器一2-1的输出端V_out11，输出端连接至输出缓冲器10的输入晶体管MN11的栅极，控制型开关TG12的输入端连接伪反相器二4-2-1的输出端V_out12，输出端连接至输出缓冲器10的输入晶体管MN12的栅极，控制型开关TG11和控制型开关TG12控制端均连接逻辑电路3-4的输出S1信号；开关器组二8为控制型开关组TG2，控制型开关组TG2由控制型开关TG21和控制型开关TG22构成，其中，控制型开关TG21 的输入端连接固定增益放大器一5的第一输出端V_out21，输出端连接至输出缓冲器10的输入晶体管MN11的栅极，控制型开关TG22的输入端连接固定增益放大器一5的第二输出端V_out22，输出端连接至输出缓冲器10的输入晶体管MN12的栅极，控制型开关TG21和控制型开关TG22控制端均连接逻辑电路3-4的输出S2信号；开关器组三9为控制型开关组TG3，控制型开关组TG3由控制型开关TG31和控制型开关TG32构成，其中，控制型开关TG31的输入端连接固定增益放大器二6的第一输出端V_out31，输出端连接至输出缓冲器10的输入晶体管MN11的栅极，控制型开关TG32的输入端连接固定增益放大器二6的第二输出端V_out32，输出端连接至输出缓冲器10的输入晶体管MN12的栅极，控制型开关TG31和控制型开关TG32控制端均连接逻辑电路3-4的输出S3信号。

如图1所示，实际使用时，采用光电转换器模块1将光信号转换为电流信号输入至所述跨阻放大器实现光通信，把接收的光信号转换为电流信号作为所述跨阻放大器的输入信号，且光电转换器模块1采用光电二极管 APD。

本实用新型使用中，采用光电转换器模块1将光信号转换为电信号，该电信号为微弱的电流信号，采用跨阻预放大器2将该微弱的电流信号一级放大并电压转换，同时输入至幅度检测器3进行信号强弱检测，幅度检测器3输出两个电压阈值，形成三段电压范围，该三段电压范围包括高阶段电压范围、中阶段电压范围和低阶段电压范围，当一级放大后的电压值处于高阶段电压范围内时，幅度检测器3驱动控制型开关组TG1导通，一级放大后的电压值直接传输至输出缓冲器10，避免跨阻放大器饱和或过载；当一级放大后的电压值处于中阶段电压范围内时，幅度检测器3驱动控制型开关组TG2导通，一级放大后的电压值经单端输入转差分输出电路 4和固定增益放大器一5两级放大，形成三级放大信号传输至输出缓冲器 10，使输入信号有效放大；当一级放大后的电压值处于低阶段电压范围内时，幅度检测器3驱动控制型开关组TG3导通，一级放大后的电压值经单端输入转差分输出电路4、固定增益放大器一5和固定增益放大器二6三级放大，形成四级放大信号传输至输出缓冲器10，满足微弱电信号的灵敏度要求；输出缓冲器10将放大后的电信号传输至信号处理单元11输出最终等效输出电压，使用效果好。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型作任何限制，凡是根据本实用新型技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本实用新型技术方案的保护范围内。