基于线性激光雷达的模拟前端接收装置

1.本技术涉及基于直接飞行时间线性模式的脉冲激光雷达领域，更为具体地，涉及一种基于线性激光雷达的模拟前端接收装置。


背景技术：

2.脉冲激光探测和测距通过计算探测器与目标之间的飞行时间来实现，该技术广泛应用于测绘、障碍物探测和无人驾驶领域。然而，传统的tof(飞行时间)激光雷达不能直接区分相同距离但反射率不同的物体，线性模式激光雷达可以通过线性模式偏置的雪崩光电二极管(apd)获取激光回波的振幅信息，同时获得探测目标的距离和强度信息。为了扩大检测距离，提高检测精度，一般采用窄宽脉冲作为线性激光雷达的发射源，但这也提高了对接收电路前端装置带宽的要求。同时，针对不同的测距场景，对于接收电路模拟前端装置的要求不同。对于远距离测距，为了实现弱信号检测，接收前端装置需保持高增益低噪声水平；对于近距离测距，输入电流较大时，需低增益接收前端装置以防止饱和输出。
3.因此，对于带宽以及测距范围，亟需提供一种在高精度的线性模式激光雷达的基础上同时具有高宽带、低噪声，且增益可切换的接收电路模拟前端装置。


技术实现要素：

4.鉴于上述问题，本技术提供一种基于线性激光雷达的模拟前端接收装置，提高激光雷达远距离弱信号的检测能力，同时支持增益切换以适应不同测距场景，其具有高带宽、低噪声，测距范围大，恢复时间短，可靠性高的优点。
5.本技术公开一种基于线性激光雷达的模拟前端接收装置，包括：跨阻放大器，所述跨阻放大器具有电流信号的输入端；单端转差分电路，所述跨阻放大器的输出端连接单端转差分电路的输入端；直流偏移消除器、后置放大器和均衡器，所述直流偏移消除器包括第一直流偏移消除器和第二直流偏移消除器，所述单端转差分电路的输出端依次经过所述第一直流偏移消除器、所述后置放大器、所述第二直流偏移消除器后，与所述均衡器的输入端连接；输出缓冲器，所述输出缓冲器的输入端连接所述均衡器的输出端，所述输出缓冲器的输出为差分电压信号中的负向电压von和正向电压vop，其中，所述均衡器为两级源级退化型均衡器，构造为源级并联电阻电容的差分对结构，所述跨阻放大器构造为电阻并联型结构，所述跨阻放大器包括共源极前馈电阻、局部负反馈电阻rf1和电阻rf2。
6.进一步地，所述跨阻放大器内还包括核心放大器，所述核心放大器与共源极前馈电阻、电阻rf2并联，所述核心放大器为三级级联反相器结构，包括：首级的反相器、第二级的局部负反馈电阻rf1和第三级的反相器型电压放大极。
7.进一步地，所述跨阻放大器与所述单端转差分电路采用直流耦合，所述单端转差分电路由差分电压放大器和第一低通网络构成，差分电压放大器内的差分对的输入端接入所述跨阻放大器的输出端，所述差分电压放大器内的差分对的输出端接入所述第一低通网络。
8.进一步地，所述均衡器的源级并联电阻电容为可调源级退化电阻电容阵列。
9.进一步地，所述后置放大器带有源级退化电阻的差分对结构，所述局部负反馈电阻rf1和所述源级退化电阻均为可调电阻0
10.进一步地，所述第一直流偏移消除器和所述第二直流偏移消除器均带有第二低通网络和交叉反馈的nmos管，所述第一直流偏移消除器与所述第一低通网络连接，以消除所述差分电压放大器内的差分对的直流偏移量，所述第二直流偏移消除器与所述后置放大器内的差分对连接，以消除所述后置放大器内的差分对的直流偏移量。
11.进一步地，所述输出缓冲器构造为三级相连结构，首级为第三直流偏移消除器，所述第三直流偏移消除器连接所述均衡器的输入端，中间级为预缓冲级，所述预缓冲级构造为带有源级退化电阻的差分对结构，末级为缓冲级，所述缓冲级构造为源级退化型均衡结构。
12.从上述的技术方案中可以看出，本技术具有以下有益效果：
13.1、将跨阻放大器与均衡器相结合，前级的跨阻放大器通过采用共源级前馈和局部负反馈相结合的方式在高增益的同时保证相位裕度，后端的两级均衡器在补偿带宽的同时避免增益缓慢滚降，保证带宽的同时抑制高频噪声，从而实现整体装置的高带宽、低噪声的特点。
14.2、通过直流耦合将跨阻放大器单端输出转为差分信号，解决了交流耦合电容充放电带来的长恢复时间问题。同时，第一低通网络作为低通滤波网络可以滤除部分低频噪声，实现降噪。
15.3、采用直流偏移消除器进行差分输入端直流偏移量的消除，避免差分输入端直流偏移造成装置饱和，保证整体装置的正常工作，提高装置的可靠性。
16.4、通过调节跨阻放大器内的负反馈电阻的阻值和后置放大器内的源级退化电阻的阻值，实现增益切换，以适应不同测距场景，增大整体装置的测距范围。同时，均衡器的可调源级退化电阻电容阵列可实现动态调整补偿效果。
17.5、输出缓冲器采用前置预缓冲级级保证增益，末端输出缓冲级采用源级退化型均衡器补偿信道损失，保证整体增益及带宽，提高装置的驱动能力。
附图说明
18.通过下文中参照附图对本公开所作的描述，本公开的其它目的和优点将显而易见，并可帮助对本公开有全面的理解。
19.图1为根据本技术实施例中基于线性激光雷达的模拟前端接收装置的方框图；
20.图2为根据本技术实施例中跨阻放大器的电路图；
21.图3为根据本技术实施例中单端转差分电路的电路图；
22.图4为根据本技术实施例中带有源级退化电阻的后置放大器的电路图；
23.图5为根据本技术实施例中直流偏移消除器的电路图；
24.图6为根据本技术实施例中源级退化型均衡器的电路图；
25.图7为根据本技术实施例中输出缓冲器的电路图。
具体实施方式
26.为使本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本公开实施例的附图，对本公开实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本公开的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
27.除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本领域普通技术人员所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。
28.在本文中，除非另有特别说明，诸如“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等方向性术语用于表示基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开，而不是指示或暗示所指的装置、元件或部件必须具有特定的方位、以特定的方位构造或操作。需要理解的是，当被描述对象的绝对位置改变后，则它们表示的相对位置关系也可能相应地改变。因此，这些方向性术语不能理解为对本公开的限制。
29.脉冲激光探测和测距通过计算探测器与目标之间的飞行时间来实现，该技术广泛应用于测绘、障碍物探测和无人驾驶领域。然而，传统的tof(飞行时间)激光雷达不能直接区分相同距离但反射率不同的物体，线性模式激光雷达可以通过线性模式偏置的雪崩光电二极管(apd)获取激光回波的振幅信息，同时获得探测目标的距离和强度信息。为了扩大检测距离，提高检测精度，一般采用窄宽脉冲作为线性激光雷达的发射源，但这也提高了对接收电路前端装置带宽的要求。同时，针对不同的测距场景，对于接收电路模拟前端装置的要求不同。对于远距离测距，为了实现弱信号检测，接收前端装置需保持高增益低噪声水平；对于近距离测距，输入电流较大时，需低增益接收前端装置以防止饱和输出。
30.本技术提供一种基于线性激光雷达的模拟前端接收装置，基于图1为根据本技术实施例中基于线性激光雷达的模拟前端接收装置，光电二极管的输入电流首先输入到跨阻放大器1中，经过单端转差分电路2转化为差分信号，并与第一直流偏移消除器相连，之后经三级后置放大器4以及第二直流偏移消除器输入到两级均衡器5中，最后与上述缓冲器6相连。
31.该装置可提高激光雷达远距离弱信号的检测能力，同时支持增益切换以适应不同测距场景，例如，可以接收0.8mhz到1.5ghz频率范围回波信号，增益切换范围80db ω到107db ω，高增益模式下实现0.45pa/√hz最小等效输入噪声电流，满足远距离测距需求，并支持近距离测距增益档位切换，增大前端装置动态范围，具有高带宽低噪声，测距范围大，恢复时间短，可靠性高的优点。
32.如图l所示，图1为本技术提供的线性模式激光雷达宽带低噪声模拟前端接收装置的方框图，该模拟前端装置包括：跨阻放大器1、单端转差分电路2、直流偏移消除器3、后置放大器4、均衡器5、输出缓冲器6。
33.跨阻放大器1具有电流信号的输入端，跨阻放大器1的输出端连接单端转差分电路2的输入端；直流偏移消除器3包括第一直流偏移消除器和第二直流偏移消除器，单端转差分电路2的输出端依次经过第一直流偏移消除器、后置放大器4、第二直流偏移消除器后，与
均衡器5的输入端连接；输出缓冲器6的输入端连接均衡器5的输出端，输出缓冲器5的输出为差分电压信号中的负向电压von和正向电压vop。
34.其中，均衡器5为两级源级退化型均衡器，构造为源级并联电阻电容的差分对结构，跨阻放大器1构造为电阻并联型结构，跨阻放大器1包括共源极前馈电阻、局部负反馈电阻rf1和电阻rf2。
35.跨阻放大器1用于将光电二极管产生的光电流转化为电压信号，其输出电压信号幅值与输入电流信号成正比，通过调节反馈电阻值进行增益切换。针对远距离弱信号检测，所采用的跨阻放大器1采用高增益模式实现降噪；针对短距离强信号检测，跨阻放大器1采用低增益模式，防止大输入信号造成装置饱和。同时，配合共源级前馈和局部负反馈，保证跨阻放大器1有足够的相位裕度，提高系统的稳定性。
36.本实施例中，跨阻放大器1采用共源级前馈和局部负反馈相结合的方式保证相位裕度，通过高反馈电阻取值实现高增益低噪声；后端通过均衡器5进行带宽补偿，通过两级均衡补偿避免带宽缓慢滚降，增大带宽的同时抑制高频噪声，从而实现整体装置的高带宽、低噪声的特点。
37.图2为根据本技术实施例中跨阻放大器的电路图。该跨阻放大器1为电阻并联型结构，核心放大器为三级级联反相器结构，提高开环增益。级联效应导致首级反相器对跨阻放大器噪声影响大，选取大gm值的pmos和nmos。第二级引入局部负反馈电阻rf1进行频率补偿，提高系统稳定性。第二级局部负反馈电阻提高稳定性的同时降低开环增益，级联第三级反向器型电压放大级保证开环增益。同时，采用共源级前馈保证相位裕度，降低传统电容补偿型结构对带宽的削减影响。开环增益足够大情况下，跨阻放大器1增益近似于反馈电阻rf2阻值。远距离检测下，通过切换至高阻值rf档位，实现跨阻放大器1的高增益低噪声。近距离检测下，切换至低阻值rf档位，避免大输入电流导致跨阻放大器饱和。
38.根据本技术的一个实施例，单端转差分电路2用于将跨阻放大器1输出的单端电压信号转化为差分信号，以便后级电路处理。跨阻放大器1与单端转差分电路2采用直流耦合单端转差分电路2由差分电压放大器和第一低通网络构成，差分电压放大器内的差分对的输入端接入跨阻放大器1的输出端，差分电压放大器内的差分对的输出端接入第一低通网络，可实现信号单端转差分，并滤除前级低频噪声。
39.也就是说，由跨阻放大器1的输出为后端差分对提供直流输入的同时，可滤除低频噪声。另外，跨阻放大器1的输出信号信号直流耦合到单端转差分电路2，可将信号转化为差分电压信号，解决交流耦合带来的长恢复时间问题。
40.图3为根据本技术实施例中单端转差分电路的电路图。差分对的输入一端直接于跨阻放大器1的输出相连；另一端接入低通滤波后的跨阻放大器1输出信号，实现单端转差分的同时滤除部分低频噪声。同时直流耦合方式避免了交流耦合大电容充放电带来的长恢复时间问题，由跨阻放大器1的输出对单端转差分电路2进行直流偏置。
41.根据本技术的一个实施例，后置放大器4带有源级退化电阻的差分对结构，用于将前级差分信号进一步放大，其中的源级退化电阻为可调电阻，通过调节源级退化电阻值实现增益切换。
42.图4为根据本技术实施例中带有源级退化电阻的后置放大器的电路图。级联后置放大器4采用带有源级退化电阻的差分对结构，将输出差分电压信号进一步放大，通过调节
源级退化电阻值实现增益切换，增大装置可探测信号范围。
43.根据本技术的一个实施例，跨阻放大器1的负反馈电阻以及后置放大器4的源级退化电阻均设置为可调电阻，以提供不同测距场景下的增益切换。
44.根据本技术的一个实施例，直流偏移消除器3用于消除差分级两端直流偏移，可防止直流偏移造成差分装置饱和。可以理解的是，直流偏移消除器3通过低通前馈消除前级差分级直流偏移。
45.图5为根据本技术实施例中直流偏移消除器的电路图。采用低通网络和交叉反馈的nmos管mn10、mn20消除两输入端的直流偏移量，避免差分输入端直流偏移造成电路饱和，保证装置正常工作。
46.根据本技术的一个实施例，均衡器5为源级并联电阻电容的差分对结构，用于补偿前级带宽，通过调节源级退化电阻电容取值调节补偿效果两级均衡器5提供高频增益补偿带宽。
47.在一个实施例中，均衡器5的源级并联电阻电容为可调源级退化电阻电容阵列，可动态调整补偿效果。
48.图6为根据本技术实施例中源级退化型均衡器的电路图。源级退化型均衡器5通过输入管源级并联的电阻电容，为前级信号提供高频增益补偿，通过调节源级电阻电容值调节均衡补偿效果。本装置采用两级均衡器5进行信号补偿，避免高频段增益缓慢滚降恶化噪声，提高均衡补偿能力。
49.根据本技术的一个实施例，输出缓冲器6用于对模拟前端装置的输出信号进行缓冲，提高装置的驱动能力，同时通过内置源级退化型均衡器补偿信道损失，输出最终的差分电压信号。
50.图7为根据本技术实施例中输出缓冲器的电路图。输出缓冲器6采用三级相连，首级直流偏移消除器7消除前级直流偏移，中间级预缓冲级8采用带有源级退化电阻的差分对提供增益，末级缓冲级9采用源级退化型均衡结构，补偿输出信道损失，保证装置带宽，提高装置驱动能力。
51.基于图1-图7，本技术模拟前端接收装置的工作步骤如下：
52.步骤一、光电二极管接收回波信号产生对应幅值光电流，光电流输入到跨阻放大器1中，远距离检测下采取高增益模式；近距离检测切换为低增益模式。电流信号经跨阻放大器1输出对应幅值的单端电压信号；
53.步骤二、单端转差分电路2通过直流耦合将跨阻放大器1输出的单端电压信号转化为差分信号，后端连接直流偏移消除器3消除差分结构直流偏移；
54.步骤三、三级后置放大器4和直流偏移消除器3进一步放大电压信号，提高整体增益。远距离检测下后置放大器4采取高增益模式；近距离检测切换为低增益模式；
55.步骤四、差分电压信号输入到两级均衡器5中进行高频增益补偿，通过调节两级均衡器5源级电阻电容值调节补偿效果；
56.步骤五、输出缓冲器6首级通过直流偏移消除器7消除前级差分输入端直流偏移；预缓冲级8采用带有源级退化电阻的差分对8保证增益；末端缓冲级9采用源级退化型均衡结构补偿信道损失，输出最终的差分电压信号。
57.通过上述步骤可以达到以下有益效果：
58.1、将跨阻放大器与均衡器相结合，前级的跨阻放大器通过采用共源级前馈和局部负反馈相结合的方式在高增益的同时保证相位裕度，后端的两级均衡器在补偿带宽的同时避免增益缓慢滚降，保证带宽的同时抑制高频噪声，从而实现整体装置的高带宽、低噪声的特点。
59.2、通过直流耦合将跨阻放大器单端输出转为差分信号，解决了交流耦合电容充放电带来的长恢复时间问题。同时，第一低通网络作为低通滤波网络可以滤除部分低频噪声，实现降噪。
60.3、采用直流偏移消除器进行差分输入端直流偏移量的消除，避免差分输入端直流偏移造成装置饱和，保证整体装置的正常工作，提高装置的可靠性。
61.4、通过调节跨阻放大器内的负反馈电阻的阻值和后置放大器内的源级退化电阻的阻值，实现增益切换，以适应不同测距场景，增大整体装置的测距范围。同时，均衡器的可调源级退化电阻电容阵列可实现动态调整补偿效果。
62.5、输出缓冲器采用前置预缓冲级级保证增益，末端输出缓冲级采用源级退化型均衡器补偿信道损失，保证整体增益及带宽，提高装置的驱动能力。
63.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“实例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本技术的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
64.虽然根据本公开总体技术构思的一些实施例已被显示和说明，本领域普通技术人员将理解，在不背离本公开总体技术构思的原则和精神的情况下，可对这些实施例做出改变，本公开的范围以权利要求和它们的等同物限定。

技术特征：
1.一种基于线性激光雷达的模拟前端接收装置，其特征在于，包括：跨阻放大器(1)，所述跨阻放大器(1)具有电流信号的输入端；单端转差分电路(2)，所述跨阻放大器(1)的输出端连接单端转差分电路(2)的输入端；直流偏移消除器(3)、后置放大器(4)和均衡器(5)，所述直流偏移消除器(3)包括第一直流偏移消除器和第二直流偏移消除器，所述单端转差分电路(2)的输出端依次经过所述第一直流偏移消除器、所述后置放大器(4)、所述第二直流偏移消除器后，与所述均衡器(5)的输入端连接；输出缓冲器(6)，所述输出缓冲器(6)的输入端连接所述均衡器(5)的输出端，所述输出缓冲器(5)的输出为差分电压信号中的负向电压von和正向电压vop，其中，所述均衡器(5)为两级源级退化型均衡器，构造为源级并联电阻电容的差分对结构，所述跨阻放大器(1)构造为电阻并联型结构，所述跨阻放大器(1)包括共源极前馈电阻、局部负反馈电阻rf1和电阻rf2。2.根据权利要求1所述的模拟前端接收装置，其特征在于，所述跨阻放大器(1)内还包括核心放大器，所述核心放大器与共源极前馈电阻、电阻rf2并联，所述核心放大器为三级级联反相器结构，包括：首级的反相器、第二级的局部负反馈电阻rf1和第三级的反相器型电压放大极。3.根据权利要求2所述的模拟前端接收装置，其特征在于，所述跨阻放大器(1)与所述单端转差分电路(2)采用直流耦合，所述单端转差分电路(2)由差分电压放大器和第一低通网络构成，差分电压放大器内的差分对的输入端接入所述跨阻放大器(1)的输出端，所述差分电压放大器内的差分对的输出端接入所述第一低通网络。4.根据权利要求3所述的模拟前端接收装置，其特征在于，所述均衡器(5)的源级并联电阻电容为可调源级退化电阻电容阵列。5.根据权利要求4所述的前端接收装置，其特征在于，所述后置放大器(4)带有源级退化电阻的差分对结构，所述局部负反馈电阻rf1和所述源级退化电阻均为可调电阻。6.根据权利要求5所述的模拟前端接收装置，其特征在于，所述第一直流偏移消除器和所述第二直流偏移消除器均带有第二低通网络和交叉反馈的nmos管，所述第一直流偏移消除器与所述第一低通网络连接，以消除所述差分电压放大器内的差分对的直流偏移量，所述第二直流偏移消除器与所述后置放大器(4)内的差分对连接，以消除所述后置放大器(4)内的差分对的直流偏移量。7.根据权利要求1所述的模拟前端接收装置，其特征在于，所述输出缓冲器(6)构造为三级相连结构，首级为第三直流偏移消除器(7)，所述第三直流偏移消除器(7)连接所述均衡器(5)的输入端，中间级为预缓冲级(8)，所述预缓冲级(8)构造为带有源级退化电阻的差分对结构，末级为缓冲级(9)，所述缓冲级(9)构造为源级退化型均衡结构。

技术总结
本申请公开了基于线性激光雷达的模拟前端接收装置，包括：具有电流信号的输入端的跨阻放大器，其输出端连接单端转差分电路的输入端；单端转差分电路的输出端依次经过第一直流偏移消除器、后置放大器、第二直流偏移消除器后与均衡器的输入端连接；输出缓冲器的输入端连接均衡器的输出端，其中，均衡器为两级源级退化型均衡器，构造为源级并联电阻电容的差分对结构，跨阻放大器构造为电阻并联型结构，跨阻放大器包括共源极前馈电阻、局部负反馈电阻RF1和电阻RF2。根据本申请的前端接收装置，可提高激光雷达远距离弱信号的检测能力，同时支持增益切换以适应不同测距场景，其具有高带宽、低噪声，测距范围大，恢复时间短，可靠性高的优点。的优点。的优点。


技术研发人员：张一丹 刘力源 张钊 刘剑 吴南健
受保护的技术使用者：中国科学院半导体研究所
技术研发日：2023.04.06
技术公布日：2023/7/25