用于长距离激光雷达的高动态范围模拟前端接收器制造技术

本公开涉及用于长距离激光雷达的高动态范围模拟前端接收器。用于操作具有跨阻放大器(TIA)的远程LIDAR的高动态范围模拟前端接收器的系统和方法，包括削波电路以防止TIA饱和。削波电路的输出通过二极管或晶体管连接到TIA的输入端并进行调节，使得TIA的输入电压保持接近或略高于TIA的饱和阈值电压。通过将限流电阻与二极管或晶体管串联连接，可以改善TIA输入电压的调节。能够消耗更高输入电流并因此更高电压的第二削波电路可以与第一削波电路并联连接。电阻元件可以放置在第一和第二削波电路之间以进一步限制输入电流到TIA。

High dynamic range analog front-end receiver for long range lidar

The present disclosure relates to a high dynamic range analog front-end receiver for long range lidar. Systems and methods for operating a high dynamic range analog front-end receiver with a remote LIDAR with a transimpedance amplifier (TIA), including clipping circuits to prevent TIA saturation. The output of the clipping circuit is connected to the input end of the TIA through a diode or transistor and adjusted so that the input voltage of the TIA remains close to or slightly higher than the saturation threshold voltage of the TIA. By adjusting the current limiting resistor in series with diodes or transistors, the regulation of TIA input voltage can be improved. A second clipping circuit capable of consuming a higher input current and therefore a higher voltage can be connected in parallel with the first clipping circuit. Resistive elements can be placed between the first and second clipper circuits to further restrict input current to TIA.

【技术实现步骤摘要】
用于长距离激光雷达的高动态范围模拟前端接收器相关申请本申请要求2017年3月27日提交的美国临时申请序列No.62/477,053和于2017年4月7日提交的美国临时申请序列No.62/483,315的权益。美国临时申请通过引用全部并入本文。
本公开涉及使用来自脉冲光源的光来测量距物体的距离或距离的遥感领域。更具体地说，本公开涉及用于遥感应用的类型的并联反馈跨阻放大器。
技术介绍
使用例如由激光器发射并由远处物体回射的光脉冲的遥感有时也被称为LIDAR(光检测和测距)。LIDAR接收器，在下文中也称为前端接收器，包括作为接收元件的具有光电二极管(PD)或雪崩光电二极管(APD)的光接收器和跨阻放大器(TIA)，例如并联反馈放大器，将来自接收光电二极管的光电流转换为电压。在下文中，除非另有说明，否则光电二极管(PD)和雪崩光电二极管(APD)将互换使用。光电二极管通常是p-n结或PIN结构。当有足够能量的光子撞击二极管时，它会产生电子空穴对。这种机制也被称为内部光电效应。如果吸收发生在结的耗尽区或距离它扩散长度处，那么这些载流子由耗尽区的内置电场从结中扫出。因此，空穴向阳极移动，电子向阴极移动，产生光电流。当在零偏压或光伏模式下使用时，光电流从设备中流出受到限制并且电压升高。当在光导模式下使用时，二极管通常是反向偏置的(阴极相对于阳极驱动为正)。这会缩短响应时间，因为额外的反向偏置会增加耗尽层的宽度，从而降低结电容。反向偏压也会增加暗电流而光电流没有太大变化。对于给定的光谱分布，光电流与照度(和辐照度)成线性比例。APD可以被认为是光电检测器，它通过雪崩倍增提供了内置的第一阶段增益。从功能角度来看，它们可以被视为与光电倍增管相当的半导体。由于其高灵敏度，APD的典型应用是激光测距仪和远距离光纤通信。在某些应用中，APD产生与接收到的电磁功率成比例的电流脉冲，并且TIA将电流脉冲转换为电压脉冲，并且还提供高增益以检测来自远处物体的较弱信号。对于更近的物体，TIA输入端的电流脉冲幅度可以达到TIA线性操作的极限。在这种情况下，TIA变得饱和。在并联反馈放大器拓扑结构中，饱和会导致输出电压脉冲扩大一定量，这称为脉宽失真。超载时，这种跨阻放大器有很长的放松时间，直到TIA可以恢复到线性操作。
技术实现思路
用于操作具有跨阻放大器(TIA)的远程LIDAR的高动态范围模拟前端接收器的系统和方法，包括削波电路以防止TIA饱和。削波电路的输出通过二极管或晶体管连接到TIA的输入端并进行调节，使得TIA的输入电压保持接近或略高于TIA的饱和阈值电压。通过将限流电阻与二极管或晶体管串联连接，可以改善TIA输入电压的调节。能够消耗更高输入电流并因此更高电压的第二削波电路可以与第一削波电路并联连接。电阻元件可以放置在第一和第二削波电路之间以进一步限制输入电流到TIA。提供具有跨阻放大器(TIA)的前端接收器将是有益的，其能够检测来自接收光电二极管或APD的光电流，而没有或仅具有由大光电流引起的最小脉宽失真。一种用于自适应限幅跨阻放大器(TIA)的输入电压以防止TIA过深陷入饱和的系统和方法包括：从TIA的输入接收反馈电压的第一自适应削波电路；削波电压。第一自适应削波电路的输出通过二极管或晶体管连接到TIA的输入，并被调节成使得饱和TIA的输入电压尽可能地接近于TIA的饱和阈值电压，且绝不超过TIA的饱和电压大于二极管或晶体管的导通电压，优选不大于二极管或晶体管的导通电压的一半。通过将限流电阻与二极管或晶体管串联连接，可以改善TIA输入电压的调节。能够比第一自适应削波电路消耗更高输入电流并因此更高电压的第二削波电路可以与第一自适应削波电路并联连接。在某些实施方案中，提供前端接收器，包括：跨阻放大器(TIA)，被配置为将施加到TIA的输入端口的输入电流转换成输出电压；和第一削波电路，通过二极管路径耦合到所述输入端口，并且被配置为响应于施加到所述第一削波电路的削波电压，限制TIA的输入电压的最大值至外部施加的削波电压，使得TIA不会过度饱和。在一些情况下，第一自适应削波电路可以限制TIA的输入电压的最大值，使得TIA尽可能接近TIA的饱和阈值电压运行。在某些实施方案中，提供一种用于操作前端接收器的跨阻放大器(TIA)的方法，使得TIA不会过度饱和或者尽可能接近TIA的饱和阈值电压来操作TIA，其中该方法包括：在第一输入端子处向第一自适应削波电路供应削波电压，所述削波电压被选择为近似等于TIA的饱和阈值电压；在第二输入端子处向第一自适应削波电路供应由TIA的输入电压衍生的反馈电压；通过二极管路径将第一自适应削波电路的输出电压耦合到TIA的输入端口，该二极管路径包括整流元件，该整流元件具有导通电压；和调节第一自适应削波电路的输出电压使得反馈电压等于削波电压。这样，TIA的输入电压的最大值被限制为这样的值，该值比TIA的饱和阈值电压高不超过整流元件的导通电压，优选不超过整流元件的导通电压的一半，以确保TIA不会过度饱和。附图说明为了提供对本公开及其特征和优点的更完整的理解，参考以下结合附图的描述，其中相同的附图标记表示相同的部件，其中：图1示出了根据本公开的一些实施例的由于跨阻放大器(TIA)的过饱和而引起的脉冲展宽的示意图；图2示出了根据本公开的一些实施例的具有由外部控制电压控制的削波电路的TIA；图3a-3c示出了根据本公开的一些实施例的用图2的削波电路对TIA的输入电压和输出电压进行限幅的效果；图4示出了根据本公开的一些实施例的用于由外部削波电压控制的自适应削波的示意性电路图的第一实施例；图5示出了根据本公开的一些实施例的用于由外部削波电压控制的自适应削波的示意性电路图的第二实施例；图6a-6c示出了根据本公开的一些实施例的具有图4和图6的自适应削波电路的TIA的输入电压的削波和自适应削波的效果；图7a示出了根据本公开的一些实施例的图2的削波电路和图5的自适应削波电路的组合；图7b示出了根据本公开的一些实施例的图2的削波电路和图4的自适应削波电路的组合；图8a示出了根据本公开的一些实施例的图5的自适应削波电路与附加电流-限流电阻的组合；图8b示出了根据本公开的一些实施例的图4的自适应削波电路与附加电流-限流电阻的组合；图9a-9c示出了根据本公开的一些实施例的具有限流电阻的TIA的输入电压与图8b的自适应削波电路的自适应限幅的效果；图10示出了具有限流电阻元件和两个削波电路的自适应限幅电路原理图的第三实施例；图11示出了用限流电阻元件和静电电流放电二极管(ESD)进行自适应限幅的示意性电路图的第四实施例；图12示出了具有示例性操作参数的图10的自适应削波电路。具体实施方式脉冲飞行时间(TOF)激光测距方法基于测量短激光脉冲(例如宽度约3ns)的传播时间(ΔT)到光学可见目标并返回到前端接收器。测量的通行时间可以转换为目标和接收器之间的距离(R)。基于脉冲TOF测量的LIDAR在需要高测量速度(>1000个结果/秒)的环境感知系统中特别有吸引力，其中接收到的回波的动态特性可以非常宽(>1：1000)，并且即使对于非合作目标，单个发射脉冲距离达几十米也需要精确的距离测量(<1cm)。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.前端接收器，包括：跨阻放大器(TIA)，被配置为将施加到TIA的输入端口的输入电流转换成输出电压；和第一削波电路，通过二极管路径耦合到所述输入端口，所述二极管路径具有带有导通电压的整流元件，并且被配置为响应于施加到所述第一削波电路的削波电压，限制TIA的输入电压的最大值至这样的值，该值超过TIA的饱和阈值电压不超过整流元件的导通电压。

【技术特征摘要】
2017.03.27 US 62/477,053;2017.04.07 US 62/483,315;1.前端接收器，包括：跨阻放大器(TIA)，被配置为将施加到TIA的输入端口的输入电流转换成输出电压；和第一削波电路，通过二极管路径耦合到所述输入端口，所述二极管路径具有带有导通电压的整流元件，并且被配置为响应于施加到所述第一削波电路的削波电压，限制TIA的输入电压的最大值至这样的值，该值超过TIA的饱和阈值电压不超过整流元件的导通电压。2.权利要求1所述的前端接收器，还包括具有耦合到输入端口的信号输出并响应于光学信号提供输入电流的光电二极管。3.权利要求1所述的前端接收器，其中所述第一削波电路是包括第一放大器的自适应削波电路，所述第一放大器具有耦合到所述削波电压的第一输入端子和耦合到所述TIA的输入端口的第二输入端子，其中所述二极管路径耦合所述第一放大器的输出端子和TIA的输入端口。4.权利要求1所述的前端接收器，其中所述整流元件包括二极管。5.权利要求3所述的前端接收器，其中所述整流元件包括晶体管，该晶体管具有耦合到第一放大器的输出端子的栅极和耦合到TIA的输入端口的发射极。6.权利要求3所述的前端接收器，其中所述二极管路径通过串联的限流电阻将第一放大器的输出端子与TIA的输入端口耦合，其中所述第二输入端子通过串联的限流电阻耦合到TIA的输入端口。7.权利要求6所述的前端接收器，其中所述串联的限流电阻具有比TIA的反馈电阻器的电阻小大约至少一个数量级的电阻。8.权利要求6所述的前端接收器，其中所述第二输入端子通过穿越串联的限流电阻的电流感应电压降来感测比TIA的输入电压低的电压。9.权利要求2所述的前端接收器，还包括插入在TIA的输入端口和光电二极管的信号输出之间的电阻元件、以及连接到光电二极管的信号输出的电流消耗二极管电路。10.权利要求9所述的前端接收器，其中所述电流消耗二极管电路包括静电放电二极管(ESD)。11.权利要求9所述的前端接收器，其中所述电流消耗二极管电路包括通过第二二极管路连接到光电二极管的信号输出的第二削波电路，该第二二极管路具有带有第二导通电压的第二整流元件并且被配置为响应于施加到第二削波电路的第二削波电压，消耗光电二极管产生的一部分光电流并流过第二二极管路径，使得流过电阻元件的光电流的剩余部分穿越电阻元件产生电压降，使得TIA的输入端口处的输入电压被限制为这样的最大值，该最...

【专利技术属性】
技术研发人员：Y·A·埃肯，A·欧古兹，
申请(专利权)人：亚德诺半导体集团，
类型：发明
国别省市：百慕大群岛,BM