[发明专利]具有快速过载恢复功能的跨阻放大器

说明书

本公开涉及具有快速过载恢复功能的跨阻放大器。具有快速恢复恢复功能的高速低噪声跨阻放大器(TIA)适用于光检测和测距(LIDAR)接收器。

技术领域

本发明涉及跨阻放大器(“TIA”)。具体而言，本发明涉及被配置为在被驱动超出其线性范围之后快速恢复的TIA。

背景技术

光检测和测距(LIDAR)系统已用于新型汽车应用，如高级驾驶员辅助系统(ADAS)。LIDAR系统通过测量朝向目标发射短激光脉冲和检测从目标发射的激光脉冲的反射之间的时间差来测量到目标的距离。然后根据时间差确定到目标的距离。图1(a)是说明常规LIDAR系统10的操作原理的框图。如图1(a)所示，脉冲激光发射器11向目标16发射短激光脉冲。通过LIDAR系统10的光学系统17a中的反射，在第一检测通道处检测发射脉冲，其包括雪崩光电二极管APD 13a、TIA 12a和定时鉴别器14a。当检测到发射的激光脉冲时，定时鉴别器14a向定时间隔测量电路15提供“起始脉冲”。一段时间后，来自目标16的激光脉冲的反射通过光学系统17b被接收到第二检测通道中，其包括APD 13b、TIA 12b和定时鉴别器14b。当在这个第二检测通道中检测到来自目标16的反射激光脉冲时，定时鉴别器14b向定时间隔测量电路15提供“停止脉冲”。基于“开始”和“停止”脉冲之间的时间差，测量电路15提供LIDAR系统10和目标16之间的距离的估计。

专门为光纤通信系统开发的商用现成(COTS)TIA通常也用于LIDAR系统。然而，为了提高检测范围，APD(例如图1(a)的APD13a和13b)在LIDAR系统中是优选的，因为它们相对于常规光纤通信系统中使用的光电二极管具有更高的电流增益。

LIDAR系统通常在比光纤通信信道更少控制的环境下工作。具体而言，LIDAR系统中的TIA通常会经受大而短的瞬态电流脉冲。然而，如此大的电流脉冲可能超过TIA(例如，图1(a)的TIA 12a或12b)超过其线性范围，使得过驱动的TIA的检测通道可能被遮蔽，直到TIA完全恢复，短而大的电流脉冲被去除。图1(b)显示了LIDAR检测通道中的TIA输出信号，以响应向高度反射目标发射的单个激光脉冲。如图1(b)所示，检测通道的APD产生大的瞬态电流脉冲，使相关的TIA超过其线性范围。由于TIA缓慢过载恢复，来自同一目标的额外反射(例如，通过方式其他信号路径)不能被检测到。图1(c)显示了当TIA具有足够快的过驱恢复时间时，在相同发射激光脉冲的附加反射的TIA中的理想检测。在图1(c)中，具有足够快的过驱恢复，TIA检测与相同目标在时间上大致相等的第二反射和第三反射。

在过驱信号条件下，当放大器被驱动超过线性范围时，放大器中的一个或多个晶体管可能饱和或切断。由于固有或寄生电容的内部充电或放电，从这种非线性操作条件恢复可能会延迟。参见例如JL Addis的美国专利4,714,896(“Addis”)，其名称为“具有快速过驱恢复的精密差分放大器”，Addis公布了一种用于电压放大器的方法，其中关键晶体管不被在过驱信号条件下，电压放大器快速恢复并立即在其线性区域内工作。TIA需要一种具有类似结果的方法。

图2(a)和2(b)提供了常规TIA的例子。图2(a)是常规TIA 100的方框图，其跨阻增益由电阻101的电阻RF确定(即G＝V/I＝-RF)。图2(b)显示了常规TIA 200，其中包括共发射极输入级和共集电极输出级。一种用于降低TIA(例如光纤接收器中使用的TIA)中的过驱动恢复时间的方法是在过驱条件期间限制TIA的增益，这扩大了TIA的线性输入范围。