[发明专利]具有2态的单位增益缓冲器

说明书

本公开涉及具有2态的单位增益缓冲器。单位增益缓冲器提供输入信号耦合到输出端的“ON”状态和输入信号与输出端隔离的“OFF”状态。多单位增益缓冲器可以共享相同的负载以形成电压‑模式最大跟随器或多路复用器。

技术领域

本发明涉及模拟放大器。具体地说，本发明涉及可以用于诸如电压- 模式最大跟随器或多路复用器的模拟放大器。

背景技术

在没有任何移动机械部件的固态光检测和测距(LIDAR)系统变得可用之前，需要商用现货(COTS)接收器来解决多通道高性能LIDAR接收器中的板、功率和成本限制。

高分辨率多通道LIDAR系统(例如具有高级驾驶员辅助系统的车辆) 使用多个激光器和多个光电传感器，例如雪崩光电二极管(“APD”)。在这样的系统中，TIA通常将来自APD的光能转换为电能。为了减少LIDAR接收器的电路板面积，功耗和材料清单，每个TIA可以在多个APD之间复用。这种多路复用是通过使用信号路径中的附加模拟开关和增益模块来实现的。图1a示出了常规TIA 100，其由前置放大器101和单端输出缓冲器 102组成，通过2：1选择器或多路复用器103接收输入信号。例如，在 2016年3月29日授予Lenius等人的标题为“Systems and Methods for Selectable Photodiode circuits circuits”的美国专利9,299,731中公开了这种电路配置。在该电路配置中，开关的导通电阻并且TIA输入端的电容增加会增加噪声增益。因此，这种方法会降低接收机的带宽和动态范围。

为了提高噪声性能，一种方法是放弃多路复用TIA并将开关置于TIA 的输出端，如图1b所示。图1b示出了多路复用传统TIA 110和111的输出信号的开关112。开关112可以由形成在集成电路中的开关来实现，诸如来自Analog Devices，Inc.的电压模式单刀双掷(SPDT)ADG788。但是，这种开关限制了带宽，并且可能需要额外的电源电压，以免限制信号摆动。此外，这样的开关具有缓慢的转换时间(例如，20ns)。为实现更短的转换时间，电流模式切换可用于实现5ns以下的切换时间，并且经过精心设计，可在标准双极性工艺中实现亚纳秒级切换时间。在电压-模式中构建快速转换开关是一项挑战，即使在绝缘体上硅工艺中，这可能相当昂贵。

开关112的一种替代实施方式是电压-模式最大跟随器电路。图2a示出了常规电压-模式最大跟随器电路200，其包括多个公共集电极级 201-1,201-2，...，201-N，每个公共集电极级包括双极型晶体管(例如双极型晶体管202-1,202-2，...，202-N)。这些双极晶体管的发射极端子连接到公共电流源204，并且它们的基极端子分别由输入端子in1，in2，...，inN中的相应一个输入信号控制。公共集电极级 201-1,201-2，...，201-N是共享公共输出端203的射极跟随器。通过将有源输入端子的最小电压保持为高于任何无源输入端子处的最大电压，电压-模式最大跟随器电路200可以用作输出多路复用器。以这种方式，只有单个有源端子中的信号被提供给公共输出端203。具有无源输入端子的双极晶体管中的电流基本上被公共输出端203抑制。图1b的方法需要每个输入信号通道都有专用的TIA，因此会增加成本。另一个困难是目前最先进的COTS TIA不能直接纳入这种方法。

例如，常规COTS TIA提供单端输出信号，通常来自单位增益缓冲器的输出级，如美国国家半导体的LM110集成电路。(例如，LM110的讨论可以在1994年11月的美国国家半导体的数据表LM110/LM210/LM310电压跟随器和1994年11月出版的IEEE Journal of Solid-State Circuits， 4(4)：249-251，1969年8月中找到)。图2b示出了常规单位增益缓冲器250，其例如在LM110集成电路中实现。在单位增益缓冲器250中，输出端253的电压反馈通过电压反馈增强了基本射极跟随器的隔离度和线性度。