一种大线性动态范围高带宽可重构跨阻放大器的制作方法

本发明属于激光雷达光信号接收机系统
技术领域：
，具体涉及一种大线性动态范围高带宽可重构跨阻放大器。
背景技术：
：随着科技的发展，人们的生活场景日趋自动化、智能化，智能的无人控制设备不断地出现，雷达作为机器人的眼睛，能够帮助机器人获取周围环境信息，例如进行障碍物定位、距离探测，并且能够引导机器人自助行进、主动避障等，是机器人实现高级智能行为的基础和先决条件。因此，雷达在智能机器人、无人驾驶领域具有非常重要的市场价值。现在无人控制设备搭载最多的探测设备是基于摄像头和毫米波雷达的传感网络，其优点是价格便宜，技术成熟度高，但其缺点也很明显，那就是无法实现高精度的三维图像探测，使得无人设备对于微小物体以及快速移动物体的探测精度较差，必须通过人工修正来完成。而且，摄像头对环境光的要求也很高。与传统的光学摄像头相比，激光雷达具有解析度高、抗有源干扰能力强、探测可靠度高、不受光线影响、测速范围大等优点，而且可以实时的探测出周围环境的三维图像，使无人控制设备具有一双明亮的“眼睛”，使机器人拥有智慧的眼睛。激光雷达接收机对激光雷达系统的性能具有决定性的作用，大动态范围和高带宽是激光雷达接收机前端电路的重要性能指标。目前提升动态范围和宽度的方法包括基于增益切换方式的动态范围提升方法，通过增益切换控制进行实现大动态范围。但是，基于增益切换方式的动态范围提升方法，通常难以保证电路的稳定性，并且为了满足大电流驱动能力，静态功耗往往比较高。技术实现要素：为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种大线性动态范围高带宽可重构跨阻放大器。本发明的一个实施例提供了一种大线性动态范围高带宽可重构跨阻放大器，该大线性动态范围高带宽可重构跨阻放大器包括：可重构放大器单元、增益切换单元和输出驱动单元，其中，所述增益切换单元，连接信号输入端iin，用于根据第一开关信号、第二开关信号、第三开关信号对输入信号进行增益切换；所述可重构放大器单元，连接所述信号输入端iin，用于根据所述第二开关信号、所述第三开关信号对所述输入信号进行自适应调节；所述输出驱动单元，连接所述可重构放大器单元、增益切换单元，用于对所述可重构放大器单元与所述增益切换单元的输出信号进一步驱动，并从信号输出端vout输出。在本发明的一个实施例中，所述增益切换单元包括电阻r1、电阻r2、电阻r3、电容c2、电容c3、mos管ms1、mos管ms2和mos管ms3，其中，所述信号输入端iin与所述电阻r1的一端、所述电阻r2的一端、所述电阻r3的一端、电容c2的一端、电容c3的一端连接，所述电阻r1的另一端与所述mos管ms1的源极连接，所述mos管ms1的栅极与第一开关信号输入端sw1连接，所述mos管ms1的漏极与所述可重构放大器单元连接，所述电阻r2的另一端与所述电容c2的另一端、所述mos管ms2的源极连接，所述mos管ms2的栅极与第二开关信号输入端sw2连接，所述mos管ms2的漏极与所述可重构放大器单元连接，所述电阻r3的另一端与所述电容c3的另一端、所述mos管ms3的源极连接，所述mos管ms3的栅极与第三开关信号输入端sw3连接，所述mos管ms3的漏极与所述可重构放大器单元连接。在本发明的一个实施例中，所述可重构放大器单元包括mos管m1～mos管m5、mos管mn1、mos管mn2、mos管ms0、电阻r0、静态电流调节单元和前馈单元，其中，所述信号输入端iin与所述mos管m2的栅极、所述mos管m1的栅极、所述前馈单元连接，所述mos管m2的漏极与所述mos管m1的漏极、所述mos管mn1的栅极、所述mos管mn1的漏极、所述mos管m4的栅极、所述mos管m3的栅极、所述电阻r0的一端连接，所述电阻r0的另一端与所述mos管ms0的源极连接，所述mos管ms0的栅极与第四开关信号输入端sw0连接，所述mos管ms0的漏极与所述mos管m4的漏极、所述mos管m3的漏极、所述mos管mn2的栅极、所述mos管mn2的漏极、所述mos管m5的栅极、所述静态电流调节单元连接，所述mos管m5的漏极与所述增益切换单元、所述静态电流调节单元、所述前馈单元、所述输出驱动单元连接，所述mos管m1的源极、所述mos管mn1的源极、所述mos管m3的源极、所述mos管mn2的源极接地，所述mos管m2的源极、所述mos管m4的源极、所述mos管m5的源极接电源电压vdd。在本发明的一个实施例中，所述前馈单元包括一mos管mf，所述mos管mf的栅极与所述信号输入端iin连接，所述mos管mf的漏极与所述mos管m5的漏极连接，所述mos管mf的源极接地。在本发明的一个实施例中，所述静态电流调节单元包括mos管ms4和mos管m6，其中，所述mos管ms4的栅极与所述第三开关信号输入端sw3连接，所述mos管ms4的漏极与所述mos管m5的漏极连接，所述mos管ms4的源极与所述mos管m6的漏极连接，所述mos管m6的栅极与所述mos管m5的栅极连接，所述mos管m6的源极接地。在本发明的一个实施例中，所述输出驱动单元包括mos管m7～mos管m10，其中，所述mos管m7的栅极与所述mos管m5的漏极连接，所述mos管m7的源极与所述mos管m8的漏极、所述mos管m9的栅极连接，所述mos管m8的栅极与偏置电压vb连接，所述mos管m9的漏极与所述mos管m10的源极连接，所述mos管m10的栅极与所述mos管m10的漏极连接，所述mos管m10的源极与所述信号输出端vout连接，所述mos管m7的漏极、所述mos管m10的栅极、所述mos管m10的漏极接地，所述mos管m8的源极、所述mos管m9的源极接电源电压vdd。与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明提供的大线性动态范围高带宽可重构跨阻放大器，采用了一种新型跨阻放大器结构，通过增益切换单元进行增益切换，同时通过可重构放大器单元自适应改变电路拓扑结构，从而提供不同增益状态下的稳定自适应调节能力，并且提供高带宽输出能力，通过这样单一结构，实现跨阻放大器的大线性动态范围、高带宽和低功耗。以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。附图说明图1是本发明实施例提供的一种大线性动态范围高带宽可重构跨阻放大器的电路拓扑结构示意图；图2是本发明实施例提供的另一种大线性动态范围高带宽可重构跨阻放大器的电路拓扑结构示意图；图3是本发明实施例提供的再一种大线性动态范围高带宽可重构跨阻放大器的电路拓扑结构示意图；图4是本发明实施例提供的一种高增益阶段的大线性动态范围高带宽可重构跨阻放大器的电路拓扑结构示意图；图5是本发明实施例提供的一种中间增益阶段的大线性动态范围高带宽可重构跨阻放大器的电路拓扑结构示意图；图6是本发明实施例提供的一种低增益阶段的大线性动态范围高带宽可重构跨阻放大器的电路拓扑结构示意图。附图标记说明：100-可重构放大器单元；200-增益切换单元；300-输出驱动单元；110-静态电流调节单元；120-前馈单元。具体实施方式下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。实施例一为了提升跨阻放大器的线性动态范围和带宽，以及降低其功耗，请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种大线性动态范围高带宽可重构跨阻放大器的电路拓扑结构示意图，本实施例提出了一种大线性动态范围高带宽可重构跨阻放大器，该大线性动态范围高带宽可重构跨阻放大器包括：可重构放大器单元100、增益切换单元200和输出驱动单元300，其中，增益切换单元200，连接信号输入端iin，用于根据第一开关信号、第二开关信号、第三开关信号对输入信号进行增益切换；可重构放大器单元100，连接信号输入端iin，用于根据第二开关信号、第三开关信号对输入信号进行自适应调节；输出驱动单元300，连接可重构放大器单元100、增益切换单元200，用于对可重构放大器单元100与增益切换单元200的输出信号进一步驱动，并从信号输出端vout输出。进一步地，请参见图2，图2是本发明实施例提供的另一种大线性动态范围高带宽可重构跨阻放大器的电路拓扑结构示意图，本实施例增益切换单元200包括电阻r1、电阻r2、电阻r3、电容c2、电容c3、mos管ms1、mos管ms2和mos管ms3。具体而言，本实施例增益切换单元200中连接关系为：信号输入端iin与电阻r1的一端、电阻r2的一端、电阻r3的一端、电容c2的一端、电容c3的一端连接，电阻r1的另一端与mos管ms1的源极连接，mos管ms1的栅极与第一开关信号输入端sw1连接，mos管ms1的漏极与可重构放大器单元100连接，电阻r2的另一端与电容c2的另一端、mos管ms2的源极连接，mos管ms2的栅极与第二开关信号输入端sw2连接，mos管ms2的漏极与可重构放大器单元100连接，电阻r3的另一端与电容c3的另一端、mos管ms3的源极连接，mos管ms3的栅极与第三开关信号输入端sw3连接，mos管ms3的漏极与可重构放大器单元100连接。其中，由外部输入开关信号控制不同的增益状态，比如本实施例第一开关信号输入端sw1输入第一开关信号、第二开关信号输入端sw2输入第二开关信号、第三开关信号输入端sw3输入第三开关信号，通过第一开关信号、第二开关信号、第三开关信号控制不同的增益状态，具体请参见表1，表1为开关信号输入对应控制增益状态的情况。表1开关信号输入对应控制增益状态的情况增益状态sw1sw2sw3高增益阶段100中间增益阶段010低增益阶段001本实施例通过表1中sw1(第一开关信号)、sw2(第二开关信号)和sw3(第三开关信号)对电路进行增益切换得到不同增益状态，可见，不同的增益状态对应不同的电路拓扑结构。本实施例不同的增益状态包括高增益阶段、中间增益阶段和低增益阶段，高增益阶段、中间增益阶段和低增益阶段根据实际需要进行设置，比如以某一增益为基准点，高于该基准点若干倍的点归为高增益阶段，低于该基准点若干倍的点归为低增益阶段，介于高增益阶段、低增益阶段之间的点构成中间增益阶段。本实施例增益切换单元200作为增益切换控制单元，由三路并联的反馈电阻和补偿电容组成，通过mos管控制，进行增益切换，对于不同的增益状态，通过mos管的控制可以采用不同的补偿电路结构，具体地，mos管ms1控制高增益阶段的补偿电路结构，mos管ms2控制中间增益阶段的补偿电路结构，mos管ms3控制低增益阶段的补偿电路结构。本实施例增益切换单元200中的电阻r1、电阻r2、电阻r3均为反馈电阻，电容c2、电容c3均为补偿电容，mos管ms1、mos管ms2和mos管ms3均为n型mos管且为开关mos管。进一步地，请再参见图2，本实施例可重构放大器单元100包括mos管m1～mos管m5、mos管mn1、mos管mn2、mos管ms0、电阻r0、静态电流调节单元110和前馈单元120。具体而言，本实施例信号可重构放大器单元100中连接关系为：输入端iin与mos管m2的栅极、mos管m1的栅极、前馈单元120连接，mos管m2的漏极与mos管m1的漏极、mos管mn1的栅极、mos管mn1的漏极、mos管m4的栅极、mos管m3的栅极、电阻r0的一端连接，电阻r0的另一端与mos管ms0的源极连接，mos管ms0的栅极与第四开关信号输入端sw0连接，mos管ms0的漏极与mos管m4的漏极、mos管m3的漏极、mos管mn2的栅极、mos管mn2的漏极、mos管m5的栅极、静态电流调节单元110连接，mos管m5的漏极与mos管ms1的漏极、mos管ms2的漏极、mos管ms3的漏极、静态电流调节单元110、前馈单元120、输出驱动单元300连接，mos管m1的源极、mos管mn1的源极、mos管m3的源极、mos管mn2的源极接地，mos管m2的源极、mos管m4的源极、mos管m5的源极接电源电压vdd。其中，第四开关信号输入端sw0输入的第四开关信号由第二开关信号输入端sw2输入的第二开关信号和第三开关信号输入端sw3输入的第三开关信号进行逻辑或产生的，比如第二开关信号输入端sw2输入的第二开关信号为1，第三开关信号输入端sw3输入的第三开关信号为0，则第四开关信号输入端sw0输入的第四开关信号为1，再比如第二开关信号输入端sw2输入的第二开关信号为0，第三开关信号输入端sw3输入的第三开关信号为0，则第四开关信号输入端sw0输入的第四开关信号为0。本实施例可重构放大器单元100作为跨阻放大器的核心放大器单元，其增益和带宽决定了整体跨阻放大器电路的稳定性和带宽性能，本实施例可重构放大器单元100由三级基于反相器结构的推挽放大电路组成，同时基于mos管的控制，实现电路拓扑结构的可重构，从而实现不同增益状态下的电路自适应调节，改善电路稳定性，提高电路带宽，并且调节大电路驱动能力，其中，mos管控制电路拓扑结构的可重构包括：mos管(后续提到的mos管ms4)控制静态电流调节单元110的接入情况、mos管ms0控制电阻r0的接入情况，从而控制整个可重构放大器单元100的电路拓扑结构，实现了电路自适应调节。本实施例可重构放大器单元100中的mos管m2、mos管m4和mos管m5均为p型mos管，mos管m1、mos管m3、mos管mn1、mos管mn2和mos管ms0均为n型mos管，且mos管ms0还为开关mos管，电阻r0为反馈电阻。进一步地，请参见图3，图3是本发明实施例提供的再一种大线性动态范围高带宽可重构跨阻放大器的电路拓扑结构示意图，本实施例前馈单元120包括一mos管mf。具体而言，本实施例前馈单元120中连接关系为：mos管mf的栅极与信号输入端iin连接，mos管mf的漏极与mos管m5的漏极连接，mos管mf的源极接地。本实施例mos管mf提高了电路整体带宽。本实施例前馈单元120中的mos管mf为n型mos管。进一步地，请再参见图3，本实施例静态电流调节单元110包括mos管ms4和mos管m6。具体而言，本实施例静态电流调节单元110中连接关系为：mos管ms4的栅极与第三开关信号输入端sw3连接，mos管ms4的漏极与mos管m5的漏极连接，mos管ms4的源极与mos管m6的漏极连接，mos管m6的栅极与mos管m5的栅极连接，mos管m6的源极接地。本实施例通过静态电流调节单元110能够实现大输入电流驱动能力与低功耗性能之间的兼容，实现了大电流工作状态与低功耗模式之间的切换。本实施例静态电流调节单元110中的mos管ms4、mos管m6均为n型mos管，且mos管ms4还为开关mos管。进一步地，请再参见图2或图3，本实施例输出驱动单元300包括mos管m7～mos管m10。具体而言，本实施例输出驱动单元300中连接关系为：mos管m7的栅极与mos管m5的漏极连接，mos管m7的源极与mos管m8的漏极、mos管m9的栅极连接，mos管m8的栅极与偏置电压vb连接，mos管m9的漏极与mos管m10的源极连接，mos管m10的栅极与mos管m10的漏极连接，mos管m10的源极与信号输出端vout连接，mos管m7的漏极、mos管m10的栅极、mos管m10的漏极接地，mos管m8的源极、mos管m9的源极接电源电压vdd。输出驱动单元300通过源级跟随器与高线性度放大器的级联，实现后级放大与输出驱动功能。本实施例输出驱动单元300中的mos管m7～mos管m10均为p型mos管。在图3的基础上，本实施例在第一开关信号、第二开关信号、第三开关信号的控制下，通过增益切换单元200的增益切换，可重构放大器单元100电路拓扑结构的改变，实现了不同增益状态下对应的不同电路拓扑结构。请参见图4、图5、图6，图4是本发明实施例提供的一种高增益阶段的大线性动态范围高带宽可重构跨阻放大器的电路拓扑结构示意图，图5是本发明实施例提供的一种中间增益阶段的大线性动态范围高带宽可重构跨阻放大器的电路拓扑结构示意图，图6是本发明实施例提供的一种低增益阶段的大线性动态范围高带宽可重构跨阻放大器的电路拓扑结构示意图，具体地：请再参见图4，在高增益阶段，mos管ms0、mos管ms2、mos管ms3和mos管ms4均断开，mos管ms1导通。在高增益阶段，通过mos管ms4断开，电阻r1较大，因此不需要并联电容，应对信号输入端iin输入较小的输入电流幅度。其中，为了让电路拓扑结构更为直观的展示，将mos管ms0、mos管ms1、mos管ms2、mos管ms3和mos管ms4在图中均省略，则在高增益阶段的电路拓扑结构图如图4所示。请再参见图5，在中间增益阶段，mos管ms1、mos管ms3和mos管ms4断开，mos管ms0和mos管ms2导通。在中间增益阶段，mos管ms0导通，电阻r0并联在第二级放大的输入和输出端，降低整个可重构放大器单元100的增益，提高了其带宽，同时电阻r2两端并联电容c2，改善了电路稳定性。其中，为了让电路拓扑结构更为直观的展示，将mos管ms0、mos管ms1、mos管ms2、mos管ms3和mos管ms4在图中均省略，则在中间增益阶段的电路拓扑结构图如图5所示。请再参见图6，在低增益阶段，mos管ms1、mos管ms2均断开，mos管ms0、mos管ms3和mos管ms4均导通。在低增益阶段，通过mos管ms4的导通，mos管m6为信号输入端iin输入的较大电流提供充足的驱动能力，避免电路出现反向峰值，影响整个激光雷达接收机的后续时刻鉴别。其中，为了让电路拓扑结构更为直观的展示，将mos管ms0、mos管ms1、mos管ms2、mos管ms3和mos管ms4在图中均省略，则在低增益阶段的电路拓扑结构图如图6所示。综上所述，本实施例提供的大线性动态范围高带宽可重构跨阻放大器，采用了一种新型跨阻放大器结构，通过增益切换单元200的增益切换，同时通过可重构放大器单元100电路拓扑结构的自适应改变，从而提供了不同增益状态下的稳定性自适应调节能力，并且提供了高带宽输出能力，通过这样单一结构实现跨阻放大器的大线性动态范围、高带宽和低功耗；静态电流调节单元110能够实现大输入电流驱动能力与低功耗性能之间的兼容，实现大电流工作状态与低功耗模式之间的切换。以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属
技术领域：
的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。当前第1页12