跨阻放大器以及用于光信号的具有光电二极管和跨阻放大器的接收器电路

本发明要求于2018年11月22日的德国专利申请102018129488.3的优先权，其内容通过引用合并于此。

技术领域

本发明涉及一种跨阻放大器以及用于光信号的具有光电二极管和跨阻放大器的接收器电路。跨阻放大器具有一个运算放大器，该运算放大器具有同相的、接地的输入端，并具有反相输入端，运算放大器用于放大电流信号。此外，跨阻放大器具有经过耦合电阻与反相输入端耦合的输出端和掉电输入端，该掉电输入端在接收到至少一个关断信号时被激活，使得因此停用至少一个内部电源。

背景技术

跨阻放大器是将输入电流转换为成比例的输出电压的电放大器。跨阻放大器也能够理解为电流控制的电压源，并在不同的技术领域中用于放大电流信号。因此，例如已知通过跨阻放大器来带宽放大通过借助于光电二极管对光电信号的探测和转换而产生的电流信号。在这种情况下，强度在nA到mA范围内的电流被转换为电压。

这种系统经常在关键应用中(例如在自动行驶工具，驾驶员辅助系统或诸如脉搏血氧仪的医疗设备中)用于距离测量和物体识别。在此，测量系统的可靠性在很大程度上取决于信号处理的质量，尤其取决于识别电路的精度和稳定性。由于跨阻放大器将光电二极管的具有低电流强度的信号转换为可用电压，因此跨阻放大器是电路的重要组成部分。

对于跨阻放大器的功能特别重要的是，在将相对较小的输入电流信号转换为输出电压信号时，要获得尽可能高的增益。由此确保了能够对输出电压信号进行简单而可靠的评估。在该上下文中，图5示意性地示出了如从现有技术中已知的跨阻放大器的电路装置，并且其中，跨阻放大器在反向输入端接收由光电二极管产生的相对小的电流信号作为输入信号。

在此，作为补充，图5示出了具有用于偏置电流产生的电流镜的跨阻放大器。在这种情况下，电路以互补金属氧化物半导体(CMOS)技术实现。在图5所示的电路中，仅提供了一个在电路中引起放大的晶体管。此外，电阻器Rx和电容Cx形成滤波器，该滤波器将在高频情况下节点Q1中产生的噪声最小化。

此外，从EP 0 951 140 A2已知一种用于光接收器的电路装置，利用该电路装置，借助光电二极管将光信号转换成电信号，并且借助于放大电路放大电信号。对于所描述的技术解决方案至关重要的是，提供用于调节放大电路的工作点的电路装置。利用该电路装置，根据光信号的电平来调节工作点。在此，跨阻放大器被用作前置放大器，其差分输出端经过调节放大器与前置放大器的输入端连接。利用这种电路装置，即使光信号具有不同的电平值，对于每个输入信号用作前置放大器的跨阻放大器的平均差分输出电压也被调节为零。另外，借助于调节放大器将前置放大器的与电平有关的输出差分电压调节为零，从而能够独立于接收的光信号的电平来进行信号的后续处理。

此外，从DE 10 2012 024 488 A1已知一种具有多个放大级的跨阻放大器。为了能够为跨阻放大器提供经济上令人感兴趣的替代方案，并且仍然能够同时以较大的带宽实现高放大，根据在本文本中提出的解决方案，提供了具有多个依次不连续连接的放大级的跨阻放大器。在此，第一放大级被设计为跨阻放大电路，而其他级被设计为电压放大电路。

放大器的基本特征始终是其电子噪声，该噪声会根据运行状态而变化，并且会限制放大器中的信噪比。另一个特定的属性是放大器的可实现的带宽。这两个属性本质上都与跨阻放大器的耗电量有关，其中，功率放大器尤其具有较高的耗电量、较小的噪声和较高的速度。但是，尤其是在移动应用中不希望有高耗电量。出于这个原因，已知用于降低跨阻放大器的平均耗电量的技术方案。

在特殊的技术解决方案中，仅在需要时才激活跨阻放大器。在该上下文中，存在或已经存在型号为MTI04G的多通道可编程跨阻放大器，其具有集成的掉电模式。集成的掉电模式允许放大器切换到省电模式。如果暂时不需要集成电路的功能，则能够通过这种方式将静态电流消耗降低到8μA。

如果经过掉电输入端停用跨阻放大器，则在激活该输入端时停用跨阻放大器中的内部电源，并且将放大器的所有节点置于限定的状态。与此相关，已知的解决方案是将晶体管的内部节点拉至正电源电压V

基于已知的跨阻放大器，提供高质量的放大器仍然是一个挑战，该放大器的特点是噪声最小、速度快并且耗电量也尽可能低。但是，这对于在移动设备中使用跨阻放大器特别必要。

如果使用至少在较大程度上(至少是暂时地)停用跨阻放大器的技术解决方案，则这些技术解决方案通常具有以下缺点，在停用跨阻放大器后再次准备使用之前，可能持续几微秒的时间。这是归因于，内部偏置电压首先必须瞬态振荡，以便能够保证可靠的运行。尤其当例如在供电网络中使用无源RC滤波器来降低噪声时会发生上述问题。另外，对于某些应用，尤其是对于那些需要在很短的间隔内接收到非常短的暴冲的应用，减少过渡状态持续时间是有意义的，以便通过更快的功率门控进一步降低平均耗电量。

图3示出了其中所使用的跨阻放大器至少暂时关闭的电路。补充地，时序图显示了输入信号、掉电信号和输出信号的时间曲线。当激活掉电输入端时，晶体管Q4将节点X拉至正电源电压V

发明内容

从现有技术中已知的跨阻放大电路和上述问题出发，本发明的目的是，进一步改进特别是在用于光信号的接收器电路中的跨阻放大器，以及这种接收器电路。

上述目的通过根据权利要求1的跨阻放大器实现。此外，所述目的通过具有权利要求10中给出的技术特征的接收器电路来实现。本发明的有利的实施方式是从属权利要求的主题，并且在下面的描述中参照附图详细地进行说明。

本发明涉及一种跨阻放大器，其具有电压控制的运算放大器，该运算放大器具有接地的同相输入端、接收待放大的电流信号的反相输入端、经过耦合电阻与反相输入端耦合的输出端、以及掉电输入端，该掉电输入端在接收到至少一个关断信号时被激活，使得此外停用至少一个内部电源。根据本发明，以这样的方式进一步改进了跨阻放大器，使得借助于至少一个电子结构元件，由从掉电输入端接收到的关断信号或掉电信号产生至少一个第一序列信号和至少一个第二序列信号，其中，至少一个序列信号启动至少一个内部电源的停用，其中，第二序列信号在第一序列信号已激活一段时间后被激活。下面将第一序列信号称为待机信号，将第二序列信号称为放电信号。

因此，根据本发明提出，借助于两阶段的掉电过程消除了现有技术中已知的问题。为此，在通过至少一个电子结构元件、优选地通过集成电路接收到外部关断信号或掉电信号之后产生两个信号，通过这两个信号分别以一定的时间间隔触发后续动作。优选地，两个序列信号也被串行地、即彼此时间间隔开地产生。为了产生相应信号而提供信号发生器，该信号发生器在出现触发事件时(在此为接收到掉电信号和/或激活待机信号后预设时间到期时)产生或激活期望的信号。

利用所提出的跨阻放大器，能够使耗电量进一步最小化，并且同时能够确保在临时停用之后尽可能快地重新激活跨阻放大器。同时，噪声行为、特别是信噪比不会受到负面影响，并且能够实现接收电流信号的尽可能宽带宽的和大的放大。此外，进一步改进的放大电路能够相对容易地集成到复杂的电路装置中，并且从经济的角度来看，展现出一种使跨阻放大器的平均耗电量最小化的有利可图的解决方案。

在本发明的另一方面中提出，当通过掉电信号激活掉电输入端时，集成电路首先产生待机信号和以一定的时间间隔与之间隔开的放电信号。通常，也能够考虑，在接收到掉电信号之后，产生待机信号和放电信号，但是当待机信号已经激活了符合需要的确定的时间段时，才激活放电信号。重要的是，待机信号的激活导致跨阻放大电路的至少一个内部电源的停用。优选地，待机信号的激活与放电信号的激活之间的时间段优选为90-110s，特别是大约100μs。基于该提出的技术方案，直至激活待机信号之后以之前指定的时间偏移来激活放电信号。

根据本发明的一个特别的改进方案，至少一个开关晶体管基于第一序列信号、即待机信号被激活。还以有利的方式提出，通过待机信号激活的至少一个开关晶体管将跨阻放大器的至少一个、特别是所有主要的电源停用。

另一方面提出，用于停用电源的至少一个开关晶体管隔离放大电路的施加有偏置电压的节点。这样做的优点是，由于减少了至少一个或多个电源的瞬态响应，所以能够相对快地恢复放大器的正常运行状态。

在完成上述措施之后，即在激活待机信号之后，至少一个电源、优选所有电源在放大电路内处于隔离状态。由此，确保了放大器的正常运行状态能够相对快地恢复，然而，这并不导致与跨阻放大器的之前的运行状态相比耗电量被最小化。如果长时间保持这种运行状态，跨阻放大器的内部电源的隔离能够产生问题，因为然后至少存在由于漂移的节点电压而导致不希望的系统状态的可行性，这能够降低电路的可靠性。

由于上述问题，仅在有限的时间段内保持以下运行状态，在该运行运行状态中，在其处施加偏置电压的至少一个点被隔离。能够根据需要确定和改变的所选时间段例如是10-1000μs、或者特别是90-110μs、非常特别是大约100μs。第二序列信号、即所谓的放电信号在上述时间段到期之前或最迟在上述时间段到期时被激活。

根据本发明的另一方面，当激活放电信号时，在第一处理步骤中隔离的至少一个节点与限定的电势短路。以这种方式，在停用跨阻放大器的第二处理步骤中建立限定的状态。这样设置是有利的，即，能够将相应的设计的跨阻放大器的平均功率消耗以及因此的能量需求最小化，并且尽管跨阻放大器还能够相对快地被置于正常运行状态，而在中间时间中部出现不安装的运行状态。因此，能够实现小于一微秒的范围内的特别快速的功率循环，从而该技术解决方案也适用于以连续的短暂的暴冲为特征的应用。由于所描述的技术解决方案，与现有技术中已知的解决方案相比也，因此即使在这样的应用也能够实现相对大的节能。有利地，利用单稳态触发器产生放电信号。

根据本发明的另一方面，基于待机信号激活至少两个级联的开关晶体管。以有利的方式，级联的晶体管确保迅速断开在放大电路中提供的至少一个电源并且使偏置电流稳定。由此，用于级联的栅极电压通过公共漏极放大器来产生。

本发明还涉及一种用于光信号的接收器电路，该接收器电路具有根据接收到的辐射产生光电二极管信号的光电二极管，以及跨阻放大器，跨阻放大器根据上述设计方案中的至少一个来实施并且接收和带宽放大光电二极管信号。光电二极管根据入射辐射产生具有相对低的电流强度的电流信号，特别是在纳安或微安范围内，该电流信号被输送至跨阻放大器。因此，跨阻放大器产生放大的电压信号，与原始电流信号相比，该电压信号能够被评估单元更好地评估。接收器装置优选被实施为使得由光电二极管产生的电流信号被转换成比例电压。

根据本发明设计的接收器装置尤其能够在驾驶员辅助系统和/或自动行驶工具中用于距离测量和/或物体识别。其他的应用可行性是在自由空间数据传输的电信领域中或医疗设备中，例如用于非侵入式测量血液中动脉血氧含量的脉搏血氧仪。

附图说明

在下文中，将参照附图基于特定的实施例更详细地解释本发明，而不限制本发明的总体构思。在此，示出：

图1：信号发生器和用于产生内部信号的时序图；

图2：根据本发明实施的跨阻放大器具有用于分离偏置电流的晶体管；

图3：集成光电接收器，其具有光电二极管和跨阻放大器；

图4：如从现有技术中已知的、具有光电二极管的跨阻放大器的示意图；

图5：如从现有技术中已知的、在互补金属氧化物半导体(CMOS)技术中具有光电二极管和电流镜的跨阻放大器的简化实施方案；以及

图6：如从现有技术中已知的、具有掉电输入端(Power-Down-Eingang)的跨阻放大器的电路和时序图。

具体实施方式

图4示出了信号发生器，其基于接收到的掉电信号(PWDN)产生待机信号(STDBY)和放电信号(DISCH)。掉电信号(PWDN)之后的两个信号、即待机信号(STDBY)和放电信号(DISCH)的生成方式是，首先激活待机信号(STDBY)，并且只有在激活待机信号大约100μs时才激活放电信号(DISCH)。放电信号(DISCH)跟随待机信号(STDBY)因此具有大约100μs的时间延迟。

通过掉电信号(PWDN)激活待机信号(STDBY)导致，至少跨阻放大电路的基本电源借助开关晶体管断开，并且利用偏置电压隔离节点。在这种状态下，由于电源的瞬态响应减小了，能够相对快地恢复放大器的运行状态。但是，该状态的缺点是，与原始状态相比耗电量尚未降低。此外，如果状态保持较长的时间，则存在由于节点电压漂移而达到不希望的系统状态的风险，这会降低电路的可靠性。

由于上述问题，仅在短时间内维持其中电源利用偏置电压来隔离的状态，即浮动的状态。待机信号(STDBY)激活100μs后，通过信号发生器在随后的处理步骤中激活放电信号(DISCH)。由于放电信号(DISCH)的激活，电路装置的所有浮动节点都与限定的电势短路，从而建立了限定的状态。

在上下文中下，图1所示的时序图显示了掉电信号(PWDN)、待机信号(STDBY)和放电信号(DISCH)的信号曲线。能够清楚地看到，待机信号(STDBY)紧随掉电信号(PWDN)，而通过待机信号(STDBY)触发切换过程100μs之后激活放电信号(DISCH)，通过该切换过程断开主要的电源。放电信号(DISCH)的激活引入了掉电过程的第二个处理步骤，在该处理步骤中，所有浮动节点均与限定的电势短路。

图2示出了本发明的一个特殊的实施方式，其中，利用跨阻放大器放大由光电二极管产生的电流信号。根据该实施方式，提供了作为级联连接的晶体管Q5和Q6。通过在未示出的信号发生器的输入端处的掉电信号(PWDN)激活待机信号(STDBY)以及与之以一定的时间延迟产生的放电信号(DISCH)。

一旦激活待机信号(STDBY)，连接在级联中的晶体管关闭偏置电流，而不会干扰电流镜X的栅极处的电势。在图2所示的实施例中，电流镜代表电流控制的电源，该电源借助于连接在级联中晶体管Q5和Q6根据需要断开，并且利用偏置电压隔离节点。在该情况下，借助于两个连接在级联中的晶体管Q5和Q6能够实现同时迅速断开并且稳定偏置电流。

用于晶体管Q5和Q6的级联连接的栅极电压优选地经由公共漏极放大器产生。电阻器R和电容器C形成无源RC滤波器，该无源RC滤波器减小了在高频下通过Q1产生的噪声。为了尽量减少在停用跨阻放大器之后由于RC噪声滤波器和电流镜X的时间常数而导致的重新激活时的延迟，分两步进行掉电过程。因此，在激活待机信号(STDBY)之后，以100μs的时间延迟激活放电信号(DISCH)，由此，将在第一步中断开的电流镜X与限定的电势短路。在当前情况下，该节点被拉至V

图3示出了具有集成电路的芯片，该集成电路具有光电二极管和跨阻放大器。跨阻放大器放大由光电二极管产生的电流信号，以便能够通过基于接收到的电流信号产生比例电压来更好地评估信号。图3所示技术解决方案的主要是，芯片具有掉电输入端(PWDN-Eingang)，因此，能够针对性地激活跨阻放大器，以便将电子组件的平均耗电量最小化。当经过掉电输入端激活掉电信号(PWDN)时，借助于集成电路发生器产生待机信号(STDBY)和放电信号(DISCH)。根据待机信号(STDBY)，首先借助开关晶体管断开内部电源，并用偏置电压将节点隔离。在待机信号(STDBY)已经激活100μs后激活放电信号(DISCH)，由此，所有浮动节点都与限定的电势短路，从而建立了限定的状态。

由于使用了两级掉电过程降低了芯片的平均能耗，但是并没有减少芯片和使用的电路的运行准备性和可靠性。

图6所示的芯片能够以有利的方式用于驾驶员辅助系统或自动行驶工具中以用于距离识别和/或用于探测物体。

还能够考虑的是，在医疗设备中、例如在脉搏血氧仪中将这种具有光电二极管和跨阻放大器的芯片用于无创地测定血液中的动脉血氧饱和度。在脉搏血氧测定法中在皮肤被透照时测量光吸收或光辐射。在此，脉搏血氧仪表示专门针对此应用而优化的分光光度计，其中，安装在图6所示的芯片中的光电二极管用于探测人体发出的光线。为了确保精确的测量，由光电二极管产生的电流信号借助于根据本发明实施的跨阻放大器被放大并且被转换成比例电压。

图6中示出的具有集成的光接收器的芯片，其使用根据本发明设计的跨阻放大器或根据本发明的接收器装置，能够通过上述发明以特别合适的方式使用，因为通过实施本发明能够在不到一微秒的时间范围内实现非常快速的功率循环，并且即使在连续快速爆发的应用中，与已知系统相比，也能够节省大量能源。

参考标号列表

PWDN 掉电信号

STDBY 待机信号

DISCH 放电信号

PWDN-Eingang 掉电输入端

Q 晶体管

R 电阻

C 电容。