Darbeli lazer mesafe ölçer yankı alımı için kazanç değişken transimpedans amplifikatör entegre devresi

Entegre devre tasarım teknolojisini içerir, özel olarak darbeli lazer mesafe bulucu yankı alımı için kullanılan, darbeli lazer mesafe bulucunun yankı dar darbeli fotoakım sinyalini dönüştürmek ve yükseltmek için kullanılan kazanç değişkenli transimpedanslı amplifikatör entegre devresini ifade eder.

Diğer temassız mesafe ölçüm yöntemleriyle karşılaştırıldığında, darbeli lazer mesafe ölçümü basit yapı, hedef işbirliğine gerek olmaması, uzun ölçüm aralığı ve hızlı ölçüm hızı avantajlarına sahiptir ve bu da onu havacılık, askeri ve endüstriyel alanlarda yaygın olarak kullanılmasını sağlar. Darbeli lazer mesafe ölçer hedefe bir ışık darbesi yayar. Hedef tarafından yansıtıldıktan sonra, mesafe ölçer yankı alma kanalı tarafından alınır. Işık darbesinin lazer mesafe ölçere geri dönmesi için geçen süre ölçülerek hedefe olan mesafe elde edilebilir. mesafe. İki boyutlu tarama veya odak düzlemi algılama teknolojisiyle birleştirilen darbeli lazer mesafe ölçümü, hedefin lazerle üç boyutlu görüntüsünü de elde edebilir. Yankı alma kanalı genellikle bir fotodedektör ve bir transimpedans amplifikatör devresinden oluşur. Transimpedans amplifikatör devresi, fotodedektör tarafından çıkan zayıf dar darbe akımı sinyalini belirli bir genliğe sahip bir voltaj darbe sinyaline dönüştürmek ve yükseltmek için kullanılır. Transimpedans yükselteç devresi tarafından çıkış verilen darbe sinyalinin sinyal-gürültü oranı ve yükselme süresi, darbeli lazer mesafe ölçerin tekli ölçüm doğruluğunu doğrudan etkilediğinden, kazancı, bant genişliği ve gürültü performansı tüm mesafe ölçer sisteminin performansı üzerinde önemli bir etkiye sahiptir.

Darbeli lazer mesafe ölçer yankı alımı için kullanılan mevcut değişken kazançlı transimpedans amplifikasyon devreleri çoğunlukla işlevlerini gerçekleştirmek için birden fazla çip kullanır. Bu durumda, yüksek hassasiyet, yüksek duyarlılık ve geniş dinamik aralık gereksinimleri genellikle devrenin aşırı güç tüketimine ve hacmine yol açar ve bu da lazer mesafe ölçer sisteminin hafif, minyatür ve seri üretimine elverişli değildir. Aynı zamanda, çipin harici bağlantısı devreyi elektromanyetik radyasyon girişimine karşı daha hassas hale getirir.

Amaç, darbeli lazer mesafe ölçer yankı alımında kullanılabilecek CMOS entegre devre teknolojisine dayalı monolitik kazançlı değişken transimpedanslı bir amplifikatör sağlamak ve mevcut tasarım yöntemlerindeki teknik eksiklikleri gidermektir.

Bu amaç aşağıdaki teknik yollarla gerçekleştirilir:

Şekil 1'de gösterildiği gibi, CMOS entegre devre teknolojisi kullanılarak, devre modülü bir akım tampon giriş aşaması, bir diferansiyel transimpedans amplifikatörü, bir R-2R direnç zayıflatma ağı, bir geniş bant voltaj amplifikatörü ve bir çıkış tamponu içerir; burada:

1) Akım tampon giriş aşaması, devre girişinin ilk aşamasıdır. Temel devre şeması Şekil 2'de gösterilmiştir. RGC devresi (Düzenlenmiş Kademeli Devre), düşük giriş empedansı ve yüksek çıkış empedansı elde etmek için kullanılır; bu, devre giriş kapasitansını (fotodedektör parazit kapasitansı ve bağlantı hattı parazit kapasitansı dahil) ve diferansiyel transimpedans amplifikatörünün giriş empedansını etkili bir şekilde izole ederek, devre giriş kapasitansının devre bant genişliği üzerindeki etkisini azaltır.
2) Diferansiyel transimpedans amplifikatörü, giriş akım sinyalini voltaja dönüştürmek için diferansiyel amplifikatör artı geri besleme direnci yapılandırmasını kullanır
Sinyal.
3) R-2R direnç zayıflatma ağının devre şeması Şekil 2'de gösterilmiştir. Dirençler, aşamalar arasında doğrudan bağlantı yapıldığında pasif direnç zayıflatma ağının neden olduğu önyargı seviyesi değişikliklerinin üstesinden gelebilen NMOS tüpleri kullanılarak uygulanır. Önyargı seviyesi Vb, önceki aşamanın çıkış DC seviyesiyle tutarlıdır. 3 bitlik ikili kodu 8 bitlik sıcak benzersiz bir koda dönüştürmek için 3 bitlik ikili kod dijital kontrol yöntemi kullanılır ve direnç zayıflatma ağındaki karşılık gelen düğüm çıkışı, adım başına 6 dB kazanç değişiminin 7 adımını elde etmek için seçilir.
4) Geniş bantlı voltaj yükselteci, basamaklandırılmış birden fazla transkondüktans-transimpedans voltaj yükseltecinden oluşur. Şekil 4'te gösterildiği gibi, transkondüktans-transimpedans yükselteci dahili olarak iki aşamadan oluşur. İlk aşama, giriş voltaj sinyali için transkondüktans sağlayan bir transkondüktans aşamasıdır. İkinci aşama bir transdirenç aşamasıdır ve geri besleme direnci, ilk aşamanın transkondüktansıdır. İletken akım eşdeğer yük sağlar. Bu devre yapılandırması kullanılarak, geri besleme direncini artırarak daha büyük voltaj kazanımları elde edilebilir. Aynı zamanda, devrenin her bir kutbu doğrudan geri besleme direnciyle ilişkili olmadığından, geniş bant uygulamaları elde edilebilir. Basamaklı olarak birden fazla transkondüktans-transimpedans voltaj yükselteci kullanmak, belirli bir bant genişliğini garanti ederken yeterli aşama sonrası voltaj kazanımı sağlayabilir.
5) Çıkış tamponu, küçük çıkış empedansı elde etmek ve çip dışı dirençli yükleri sürmek için yeterli sürüş kabiliyeti sağlamak amacıyla bir kaynak izleyici kullanır.

Çalışma yöntemi şöyledir: Fotodedektör, bir kondansatör aracılığıyla çip giriş pinine bağlanır ve onun tarafından üretilen dar darbeli fotoakım sinyali, akım tampon giriş aşaması ve diferansiyel transimpedans amplifikatörü tarafından bir voltaj sinyaline dönüştürülür ve daha sonra kontrol devresine göre R-2R direnç zayıflatma ağından geçer. Verilen 3 bitlik ikili kontrol kodu, karşılık gelen kat tarafından zayıflatıldıktan sonra, geniş bant voltaj amplifikatörü tarafından belirli bir genliğe yükseltilir ve tamponlanır ve çıkış tamponundan çıkış verilir.
Mevcut teknolojilerle karşılaştırıldığında aşağıdaki avantajlara sahiptir:
1) CMOS entegrasyon teknolojisini kullanarak, tek bir çip, devrenin güç tüketimini ve hacmini azaltabilen ve lazer mesafe ölçer sisteminin hafif, minyatür ve seri üretimine elverişli olan değişken kazançlı bir transimpedans amplifikatör devresi uygular. Aynı zamanda, yüksek oranda entegre çok elemanlı lazer yankı tespitinin gerçekleştirilmesine elverişlidir.
2) Çipin dış bağlantıları aracılığıyla oluşan elektromanyetik radyasyon girişimini azaltır.
3) Transimpedans amplifikatörünün kazancı dijital olarak kontrol edilir ve ikili kontrol kodu lazer mesafe ölçer dijital kontrol devresi tarafından kolayca üretilebilir, bu da sistemin kazanç kontrol döngüsünü basitleştirir.

Çizimlerin tanımı

Şekil 1, beş parçadan oluşan mevcut buluşun temel yapısının şematik diyagramıdır: bir akım tampon giriş aşaması, bir diferansiyel transimpedans amplifikatörü, bir R-2R direnç zayıflatma ağı, bir geniş bant voltaj amplifikatörü ve bir çıkış tamponu.

Şekil 2, RGC devresi (Düzenlenmiş Kademeli Devre) kullanılarak, mevcut buluşun akım tampon giriş aşamasının temel devre şemasıdır.

Şekil 3, R-2R direnç zayıflatma ağı uygulamasının devre şemasıdır.

Şekil 4 Geniş bantlı bir voltaj yükseltecinde kullanılan bir transkondüktans-transimpedans yükseltecinin devre şeması. Bunlar arasında NMOS tüpleri M ₁ , M ₂ , I _S1 ve yük direnci R _D1 devrenin ilk aşamasını, yani transkondüktans aşamasını oluşturur. NMOS tüpleri M ₃ , M4, I _S2 , yük direnci R _D2 ve geri besleme direnci Rf devrenin ikinci aşamasını, yani transdirenç aşamasını oluşturur.

Ayrıntılı yollar

Örnek
0.6-μm karışık sinyal CMOS teknolojisini kullanarak, aşağıdaki giriş ve çıkış gereksinimlerine sahip kazanç değişken transimpedanslı bir amplifikatör entegre devresi tasarlayın: giriş darbe fotoakım genlik aralığı 0.1μA-10μA, yükselme süresi 4ns ve devre giriş kapasitansı yaklaşık 5pF'dir. Gerekli çıkış darbe voltajı genlik aralığı yaklaşık 1-2V'dur.
Daha yüksek aralık doğruluğu elde etmek için, transimpedans amplifikatör devresi darbe sinyalinin yükselen kenarını mümkün olduğunca kısa tutmalıdır. Sinyal teorisine göre, 4ns yükselme süresini korumak için gereken minimum bant genişliği yaklaşık 110MHz'dir. Aynı zamanda, giriş ve çıkış sinyal genliğine göre, transimpedans amplifikatörünün sağlaması gereken maksimum kazanç en az 120dBΩ'dur ve kazanç kontrol dinamik aralığı en az 40dB'dir.

Spesifik uygulama planları şu şekildedir:

1) Akım tampon giriş aşaması bir RGC devresi kullanır. Her bir MOS tüpünün parametrelerini, giriş empedansı yaklaşık 100Ω olacak şekilde ayarlayın. 5pF giriş kapasitörüyle oluşturulan kutup 300MHz dışındadır, bu da devrenin genel bant genişliğini etkilemeyecektir. Çıkış empedansı 20kΩ'dur ve düşük giriş empedansına sahip diferansiyel transimpedans amplifikatörüne doğrudan bağlanır ve çok küçük seviye kaybı sağlar.
2) Diferansiyel transimpedans amplifikatörü, giriş akım sinyalini bir voltaj sinyaline dönüştürmek için diferansiyel amplifikatör artı geri besleme direnci yapılandırması kullanır. Geri besleme direnci, daha yüksek transimpedans kazancı elde edebilen bir NMOS tüp direnci kullanır. Aktif çıkış aşaması, çıkış empedansı 490Ω (tek uçlu) ile, çok fazla kazanç kaybı ve bant genişliği kaybı olmadan doğrudan R-2R direnç zayıflama ağı ile birleştirilebilir. Akım tamponlu bir giriş aşaması ve diferansiyel transimpedans amplifikatörü, 85dBΩ kazanç (diferansiyel) ve 170MHz bant genişliği elde etmek için kademeli olarak bağlanır.
3) R-2R direnç zayıflama ağındaki direnç bir NMOS tüpü tarafından uygulanır. Yonga üzerindeki önyargı voltajı önyargıya eklenir ve R yaklaşık 1kΩ olarak ayarlanır. Parazitik etkileri azaltmak için, anahtarlama tüpü en küçük boyutlu NMOS tüpünü kullanır. Giriş ikili kontrol sözcüğü 3 bittir ve 3-8 kod çözücü tarafından 8 bitlik sıcak benzersiz bir koda dönüştürülür, böylece toplam 42 dB adım zayıflama kontrolü elde edilir. Devrenin genel bant genişliğini etkilememek için, R-2R direnç zayıflama ağı, genel devre bant genişliği performansını sağlamak için çıkışı bir tamponla tamponlar.
4) Geniş bant gerilim yükseltecindeki transkondüktans-transimpedans yükselteci, 2 aşamalı kaskad kullanarak 48 dB toplam kazanç ve 160 MHz bant genişliği elde ederek 24 dB (diferansiyel) gerilim kazancı, yaklaşık 230 MHz bant genişliği elde eder.
5) Çıkış tamponu, 100Ω çıkış empedansı elde etmek için bir kaynak izleyici devresi kullanır ve doğrudan çip dışı yükleri çalıştırabilir. Tüm transimpedans amplifikasyon entegre devresi, 131dBΩ maksimum kazanç, 7 adım, 42dB toplam kazanç dinamik aralığı ve 120MHz bant genişliği elde eder.