دائرة متكاملة لمضخم المعاوقة المتغيرة الكسب لاستقبال صدى مقياس مدى الليزر النبضي
يتضمن تكنولوجيا تصميم الدوائر المتكاملة، ويشير على وجه التحديد إلى الدائرة المتكاملة لمضخم المعاوقة المتغيرة الكسب المستخدمة في استقبال صدى جهاز تحديد مدى الليزر النبضي، والتي تستخدم لتحويل إشارة التيار الضوئي النبضي الضيق الصدى لجهاز تحديد مدى الليزر النبضي وتضخيمها.
بالمقارنة مع طرق تحديد المدى غير التلامسية الأخرى، فإن تحديد المدى بالليزر النبضي له مزايا البنية البسيطة، وعدم الحاجة إلى تعاون الهدف، ونطاق القياس الطويل، وسرعة القياس السريعة، مما يجعله يستخدم على نطاق واسع في المجالات الفضائية والعسكرية والصناعية. يصدر جهاز تحديد المدى بالليزر النبضي نبضة ضوئية إلى الهدف. بعد انعكاسها عن الهدف، يتم استقبالها بواسطة قناة استقبال صدى جهاز تحديد المدى. من خلال قياس الوقت الذي يستغرقه نبض الضوء للعودة إلى جهاز تحديد المدى بالليزر، يمكن الحصول على المسافة إلى الهدف. المسافة. يمكن أيضًا تحقيق التصوير ثلاثي الأبعاد بالليزر للهدف من خلال الجمع بين المسح ثنائي الأبعاد أو تقنية الكشف عن المستوى البؤري. تتكون قناة استقبال الصدى عمومًا من كاشف ضوئي ودائرة تضخيم للترانس إمبيدانس. تُستخدم دائرة تضخيم الترانس إمبيدانس لتحويل وتضخيم إشارة التيار النبضي الضيق الضعيف الناتج عن جهاز الكشف الضوئي إلى إشارة نبضية جهد بسعة معينة. نظرًا لأن نسبة الإشارة إلى الضوضاء ووقت ارتفاع إشارة النبضة الصادرة عن دائرة مضخم المعاوقة العكسية تؤثر بشكل مباشر على دقة النطاق الفردي لجهاز تحديد المدى بالليزر النبضي، فإن أداء المكسب وعرض النطاق والضوضاء لها تأثير رئيسي على أداء نظام تحديد المدى بأكمله.
تستخدم دوائر تضخيم المعاوقة المتغيرة الكسب الحالية المستخدمة في استقبال صدى مقياس مدى الليزر النبضي في الغالب شرائح متعددة لتحقيق وظائفها. في هذه الحالة، غالبًا ما تؤدي متطلبات الدقة العالية والحساسية العالية والنطاق الديناميكي الكبير إلى استهلاك مفرط للطاقة وحجم الدائرة، وهو ما لا يساعد على إنتاج نظام مقياس مدى الليزر خفيف الوزن والتصغير والإنتاج الضخم. في الوقت نفسه، يجعل الترابط الخارجي للرقاقة الدائرة أكثر عرضة للتداخل الإشعاعي الكهرومغناطيسي.
الغرض من ذلك هو توفير مكبر تردد متغير الكسب أحادي يعتمد على تقنية الدائرة المتكاملة CMOS والتي يمكن استخدامها لاستقبال صدى مقياس مدى الليزر النبضي، وحل العيوب الفنية الموجودة في طرق التصميم الحالية.
ويتم تحقيق هذا الهدف من خلال الوسائل التقنية التالية:
باستخدام تقنية الدائرة المتكاملة CMOS، كما هو موضح في الشكل 1، تتضمن وحدة الدائرة مرحلة إدخال عازلة للتيار، ومضخم معاوقة تفاضلية، وشبكة تخفيف مقاومة R-2R، ومضخم جهد عريض النطاق، ومخزن خرج، حيث:
1) مرحلة إدخال المخزن المؤقت الحالي هي المرحلة الأولى من إدخال الدائرة. يظهر الرسم التخطيطي للدائرة الأساسية في الشكل 2. تُستخدم دائرة RGC (دائرة كاسكود المنظمة) لتحقيق معاوقة إدخال منخفضة ومعاوقة إخراج عالية، مما يعزل بشكل فعال سعة إدخال الدائرة (بما في ذلك سعة الطفيلية لجهاز الكشف الضوئي وسعة الطفيلية لخط التوصيل) ومعاوقة إدخال مكبر المعاوقة التفاضلية، مما يقلل من تأثير سعة إدخال الدائرة على عرض النطاق الترددي للدائرة.
2) يستخدم مكبر التحويل التفاضلي مكبرًا تفاضليًا بالإضافة إلى تكوين مقاوم التغذية الراجعة لتحويل إشارة التيار الداخلة إلى جهد
إشارة.
3) يظهر الرسم التخطيطي لدائرة شبكة التوهين المقاومة R-2R في الشكل 2. يتم تنفيذ المقاومات باستخدام أنابيب NMOS، والتي يمكنها التغلب على تغييرات مستوى التحيز الناجمة عن شبكة التوهين المقاومة السلبية عند الاقتران المباشر بين المراحل. يتوافق مستوى التحيز Vb مع مستوى خرج التيار المستمر للمرحلة السابقة. يتم استخدام طريقة التحكم الرقمي بالرمز الثنائي 3 بت لتحويل الرمز الثنائي 3 بت إلى رمز فريد ساخن 8 بت، ويتم تحديد خرج العقدة المقابلة في شبكة التوهين المقاومة لتحقيق 7 خطوات من تغيير الكسب بمقدار 6 ديسيبل لكل خطوة.
4) يتكون مكبر الجهد عريض النطاق من عدة مكبرات جهد عبر الموصلية-معاوقة متسلسلة. يتكون مكبر الجهد عبر الموصلية-معاوقة، كما هو موضح في الشكل 4، من مرحلتين داخليًا. المرحلة الأولى هي مرحلة عبر الموصلية، والتي توفر عبر الموصلية لإشارة جهد الدخل. المرحلة الثانية هي مرحلة مقاومة عبرية، ومقاومة ردود الفعل الخاصة بها هي عبر الموصلية للمرحلة الأولى. يوفر التيار الموصل حملًا مكافئًا. باستخدام تكوين الدائرة هذا، يمكن الحصول على مكاسب جهد أكبر عن طريق زيادة مقاومة ردود الفعل. في الوقت نفسه، نظرًا لأن كل قطب من الدائرة غير مرتبط مباشرة بمقاوم ردود الفعل، يمكن تحقيق تطبيقات النطاق العريض. يمكن أن يوفر استخدام عدة مكبرات جهد عبر الموصلية-معاوقة متسلسلة مكاسب جهد كافية بعد المرحلة مع ضمان نطاق ترددي معين.
5) يستخدم مخزن الإخراج متتبع المصدر لتحقيق معاوقة إخراج صغيرة وتوفير قدرة قيادة كافية لدفع الأحمال المقاومة خارج الشريحة.
طريقة العمل هي: يتم توصيل كاشف الضوء بدبوس إدخال الشريحة من خلال مكثف، ويتم تحويل إشارة التيار الضوئي النبضي الضيق التي تولدها إلى إشارة جهد بواسطة مرحلة إدخال المخزن المؤقت الحالي ومضخم المعاوقة التفاضلية، ثم تمر عبر شبكة التوهين المقاومة R-2R وفقًا لدائرة التحكم بعد أن يتم توهين رمز التحكم الثنائي المكون من 3 بتات بواسطة المضاعفات المقابلة، يتم تضخيمه إلى سعة معينة بواسطة مضخم الجهد عريض النطاق وتخزينه مؤقتًا وإخراجه من خلال المخزن المؤقت للإخراج.
وبالمقارنة مع التقنيات الموجودة، فإنها تتمتع بالمزايا التالية:
1) باستخدام تقنية تكامل CMOS، تقوم شريحة واحدة بتنفيذ دائرة تضخيم مقاومة متغيرة الكسب، والتي يمكنها تقليل استهلاك الطاقة وحجم الدائرة، وهي مواتية لخفيفة الوزن والتصغير والإنتاج الضخم لنظام تحديد المدى بالليزر. في الوقت نفسه، فهي مواتية لتحقيق اكتشاف صدى الليزر متعدد العناصر عالي التكامل.
2) يقلل من تداخل الإشعاع الكهرومغناطيسي المتصل بالموصلات الخارجية للشريحة.
3) يتم التحكم في مكسب مكبر المعاوقة الرقمية رقميًا، ويمكن إنشاء رمز التحكم الثنائي الخاص به بسهولة بواسطة دائرة التحكم الرقمية لجهاز تحديد المدى بالليزر، مما يبسط حلقة التحكم في المكسب للنظام.
وصف الرسومات
الشكل 1 هو رسم تخطيطي للهيكل الأساسي للاختراع الحالي، والذي يتكون من خمسة أجزاء: مرحلة إدخال عازلة التيار، ومضخم معاوقة تفاضلية، وشبكة تخفيف مقاومة R-2R، ومضخم جهد عريض النطاق ومخزن خرج.
الشكل 2 هو مخطط دائرة أساسية لمرحلة إدخال المخزن المؤقت الحالي للاختراع الحالي، باستخدام دائرة RGC (دائرة كاسكود منظمة).
الشكل 3 هو مخطط دائرة لتنفيذ شبكة التوهين للمقاوم R-2R.
الشكل 4 مخطط دائرة مكبر انتقالي- انتقالي يستخدم في مكبر جهد عريض النطاق. من بينها، تشكل أنابيب NMOS M 1 و M 2 و I S1 ومقاومة الحمل R D1 المرحلة الأولى من الدائرة، أي مرحلة انتقالية. تشكل أنابيب NMOS M 3 و M4 و I S2 ومقاومة الحمل R D2 ومقاومة التغذية الراجعة Rf المرحلة الثانية من الدائرة، أي مرحلة انتقالية.
طرق مفصلة
مثال
باستخدام تقنية CMOS ذات الإشارة المختلطة 0.6 ميكرومتر، قم بتصميم دائرة متكاملة لمضخم تحويل المعاوقة المتغير الكسب مع متطلبات الإدخال والإخراج التالية: نطاق سعة التيار الضوئي النبضي المدخل هو 0.1μA-10μA، ووقت الصعود هو 4ns، وسعة إدخال الدائرة حوالي 5pF. نطاق سعة جهد النبضة المخرجة المطلوبة هو حوالي 1-2V.
من أجل تحقيق دقة نطاق أعلى، يجب أن تحافظ دائرة مكبر المعاوقة الانتقالية على الحافة الصاعدة لإشارة النبضة قصيرة قدر الإمكان. وفقًا لنظرية الإشارة، فإن الحد الأدنى للنطاق الترددي المطلوب للحفاظ على وقت صعود 4ns هو حوالي 110 ميجا هرتز. في الوقت نفسه، وفقًا لسعة إشارة الإدخال والإخراج، فإن أقصى مكسب يحتاج مكبر المعاوقة الانتقالية إلى توفيره هو 120 ديسيبل أوم على الأقل، ونطاق التحكم الديناميكي في المكسب هو 40 ديسيبل على الأقل.
الخطط التنفيذية المحددة هي كما يلي:
1) تستخدم مرحلة إدخال المخزن المؤقت الحالي دائرة RGC. اضبط معلمات كل أنبوب MOS بحيث تكون معاوقة الإدخال حوالي 100Ω. يقع القطب المشكل بمكثف الإدخال 5pF خارج 300MHz، وهو ما لن يؤثر على النطاق الترددي الإجمالي للدائرة. تبلغ معاوقة الإخراج 20kΩ ومقترنة مباشرة بمضخم معاوقة تفاضلية مع معاوقة إدخال منخفضة، مما يضمن خسارة مستوى صغيرة جدًا.
2) يستخدم مكبر المعاوقة التفاضلية مكبرًا تفاضليًا بالإضافة إلى تكوين مقاوم التغذية الراجعة لتحويل إشارة التيار الداخلة إلى إشارة جهد. يستخدم مقاوم التغذية الراجعة مقاوم أنبوب NMOS، والذي يمكنه تحقيق مكسب أعلى للمعاوقة التفاضلية. مع مرحلة الإخراج النشطة، معاوقة الإخراج 490Ω (طرف واحد)، يمكن توصيلها مباشرة بشبكة التوهين للمقاوم R-2R دون الكثير من فقدان المكسب وفقدان النطاق الترددي. يتم توصيل مرحلة الإدخال المخزنة بالتيار ومكبر المعاوقة التفاضلية بشكل متتالي لتحقيق مكسب 85dBΩ (تفاضلي) وعرض نطاق 170 ميجا هرتز.
3) يتم تنفيذ المقاومة في شبكة تخفيف المقاومة R-2R بواسطة أنبوب NMOS. تتم إضافة جهد التحيز على الشريحة إلى التحيز، ويتم ضبط R على حوالي 1kΩ. من أجل تقليل التأثيرات الطفيلية، يستخدم أنبوب التبديل أصغر حجم لأنبوب NMOS. كلمة التحكم الثنائية المدخلة هي 3 بتات، والتي يتم تحويلها إلى رمز فريد ساخن مكون من 8 بتات بواسطة فك التشفير 3-8، وبالتالي تحقيق إجمالي تحكم في التخفيف بمقدار 42 ديسيبل. من أجل عدم التأثير على النطاق الترددي الإجمالي للدائرة، تقوم شبكة تخفيف المقاومة R-2R بتخزين الخرج بواسطة مخزن مؤقت لضمان أداء النطاق الترددي الإجمالي للدائرة.
4) يحقق مكبر الترانزكونداكتانس-التترانزامباندانس في مكبر الجهد عريض النطاق مكسب جهد (تفاضلي) يبلغ 24 ديسيبل، وعرض نطاق ترددي يبلغ 230 ميجا هرتز تقريبًا، باستخدام تسلسل من مرحلتين لتحقيق مكسب إجمالي يبلغ 48 ديسيبل وعرض نطاق ترددي يبلغ 160 ميجا هرتز.
5) يستخدم المخزن المؤقت للإخراج دائرة متتبع المصدر لتحقيق معاوقة خرج 100Ω ويمكنه تشغيل الأحمال خارج الشريحة مباشرة. تحقق الدائرة المتكاملة لتضخيم المعاوقة العكسية بالكامل أقصى مكسب يبلغ 131dBΩ، و7 خطوات، ونطاق ديناميكي إجمالي للمكسب يبلغ 42dB، وعرض نطاق يبلغ 120MHz.
