放大器电路、检测器装置和用于驱动放大器的方法 |
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| 申请号 | CN201180018113.9 | 申请日 | 2011-03-03 | 公开(公告)号 | CN102835026B | 公开(公告)日 | 2015-09-09 |
| 申请人 | ams有限公司; | 发明人 | 马克·尼德伯格; 温琴佐·李奥纳多; | ||||
| 摘要 | 放大器 电路 ，包括测量路径，所述测量路径具有用于根据测量 电流 （Ipd）提供 输出 电压 （V输出）的、具有第一和第二放大器输入端（11，12）以及放大器输出端（13）的放大器（1）。放大器电路的反馈路径包括第一 滤波器 （2）、辅助放大器（3）和第二滤波器（4）。在此，第一滤波器（2）设置为，将直流电压从输出电压（V输出）中滤波，并且与放大器输出端（13）连接。辅助放大器（3）用于将输入电压（Vfil）转换为输出电流（Ifil），并且具有第一和第二辅助放大器输入端（31，32），以及辅助放大器输出端（33）。在此第一辅助放大器输入端（31）与第一滤波器（2）连接。第二滤波器（4）设置为，将噪声从输出电流（Ifil）中滤波，并且将辅助放大器输出端（33）与第一放大器输入端（11）耦合。 | ||||||
| 权利要求 | 1.放大器电路，包括： |
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| 说明书全文 | 放大器电路、检测器装置和用于驱动放大器的方法技术领域[0001] 本发明涉及一种放大器电路，一种检测器装置和一种用于驱动放大器的方法。 背景技术[0002] 在大量的场中，例如光势垒中、光学接近式开关(proximity switches)中和在远程控制(infrared(IR)remote control(红外远程控制))中，光电二极管用作传感器。在此，光电二极管的高的光敏度是所希望的特性，然而，该特性在多个应用领域内也造成问题。通常，造成在实际有用信号上的DC或低频的信号分量的叠加。于是，通过如白炽灯泡或日光灯形成的环境光使得相应的信号与有用信号叠加，而在此并未承载有用信息。然而，这样叠加的信号增大对于相应的测量电路的其他信号处理的要求。例如，这类电路必须具有大的动态信号范围。此外，适合的测量电路必须能够检测与叠加的信号相比较小的有用信号，并且将其与噪声分离，所述噪声大多数时候具有与有用信号类似的信号振幅。 [0003] 为了将用于光电二极管的信号分析的电路尽可能保持简单和紧凑，提出不同的方案。这样可能的是，在输入侧上和从而在接在下游的信号处理之前通过适合的滤波器对DC或低频的分量进行滤波。然而，通常这样的方案不是非常有效的，因为，由于通常要求的作为集成电路的实施形式而必须遵守特定的框架条件。例如，大多数时候只提供低的电源电压，并且电路的部件必须相应地确定大小。这造成电路非常容易受噪声影响。 [0004] 另一方案利用跨阻放大器和放大信号的有源反馈。此外，US 2005/0128006 A1示出具有负的、有源的反馈的跨阻放大器。根据光电二极管的光电流，通过放大器级，产生输出电压。在此，放大器级包括跨阻放大器和另一放大器。输出电压不仅具有DC还具有AC信号部分。为了补偿光电流中的DC分量和低频分量，放大器级的输出端通过有源的反馈环路反馈至光电流。 [0005] 然而，在已介绍的方案中不利的是，通过具有噪声的信号加到放大器电路的输入端上。这刚好在光电二极管的应用中是不利的，因为所述光电二极管的AC有用信号通常相对于DC信号部分是小的，并且还在电路的噪声级附近运动。 发明内容[0006] 因此，本发明的目的是提出一种放大器电路和一种用于驱动放大器电路的方法，所述放大器电路具有降低的噪声特性。 [0008] 在实施形式中，放大器电路包括具有放大器的测量路径，所述测量路径具有第一和第二放大器输入端以及放大器输出端。此外，放大器电路包括反馈路径，所述反馈路径包括第一滤波器、辅助放大器和第二滤波器。第一滤波器与放大器输出端连接。辅助放大器具有第一和第二辅助放大器输入端，以及辅助放大器输出端。在此，第一辅助放大器输入端与第一滤波器连接。第二滤波器借助于第一放大器输入端与辅助放大器输出端耦合，其中所述第二滤波器具有极点，所述极点选择为使得所述第二滤波器的所述极点能够借助于所述第一滤波器的零点补偿。 [0009] 借助于放大器电路的测量路径测量例如连接到第一放大器输入端的光电二极管的光电流。根据所述光电流，放大器产生输出电压，通常，所述输出电压不仅具有DC分量而且还具有AC分量。借助于反馈路径，所述输出电压被引回至第一放大器输入端上。在此，第一滤波器设置为，将直流电压从输出电压中滤波。以这种方式，在第一辅助放大器输入端上接入输入电压，所述输入电压不具有或只具有降低的直流电压部分或低频的电压部分。辅助放大器还构造为，将输入电压转换为输出电流。那么，这样得到的输出电流被引回给第二滤波器。第二滤波器又设置为将噪声从输出电流中滤波。这样滤波的、少噪声的电流作为反馈电流施加到测量路径中，并且从而施加到第一放大器输入端上。 [0010] 优选地，第一和第二滤波器彼此协调。在此确定滤波器参数，例如滤波器的截止频率(cut-off frequency)，滤波器的相应的传递函数。整个反馈路径通过总传递函数表征，所述总传递函数能够借助于单个滤波器的传递函数表示。现在，第一和第二滤波器如下彼此协调，即所述第一和第二滤波器一起造成相移，所述相移使反馈保持稳定。优选地，使用小于180°的相移。此外，相移优选在120°至135°的范围中。 [0011] 借助于第一和第二滤波器，能够有利地改进放大器电路的滤波特性。第一滤波器使得将直流电压和低频信号分量适合地滤波，而借助于第二滤波器能够减少在反馈电流中的噪声部分。以所述方式防止噪声加在放大器电路的第一放大器输入端上。因为这样的噪声通常具有与光电二极管电路的有用信号相当的大小，所以刚好能够有利地将放大器电路用于光电二极管的应用。 [0012] 此外，第一和第二滤波器的组合防止电路的超调。如果例如在辅助放大器下游只设有第二滤波器，那么超过第二滤波器的截止频率的信号将放大器驱动至饱和。相反地，通过第一和第二滤波器的组合，能够防止这样的超调，并且没有信号失真或也没有不希望的信号分量实现。 [0013] 在另一实施形式中，放大器包括跨阻放大器。 [0014] 有利地，借助于跨阻放大器，能够进行例如是光电流的小电流的精确测量。例如，在以连接的光电二极管工作时，能够通过与入射的光强成比例的多个量级测量光电流。在此优选地，驱动的光电二极管借助于其阴极与电源电压连接，并且借助于阳极连接到虚拟接地端上和跨阻放大器的第一放大器输入端上。以所述方式，在光入射时得到负的输出电压，并且大多数时候不需要对称的电源电压。此外，跨阻放大器能够构造为可编程的，并且能够通过合适的开关使得光电二极管的在多个量级上延伸的测量范围是可达到的。 [0015] 在再一实施形式中，第一和第二滤波器分别包括低通滤波器。 [0016] 在还一实施形式中，第一和第二滤波器分别包括全通滤波器。 [0017] 在又一实施形式中，第二滤波器具有极点，所述极点选择为，使得第二滤波器的极点能够借助于第一滤波器的零点补偿。 [0018] 借助于这样的极点零点补偿，反馈路径设定为，使得放大器电路总的来说保持稳定。优选地，反馈路径的相移设定为，使得相移小于180°，优选处于120°和135°之间。 [0019] 有利地，通过极点-零点补偿，将第一和第二滤波器组合为，使得一方面，能够滤波DC和低频的信号分量，并且另一方面，能够将噪声从滤波的反馈电流中清除。在此还有利的是，通过协调两个滤波器或其相应的相移，放大器电路保持稳定，并且因此能够防止放大器的超调。 [0020] 在又一实施形式中，第二滤波器与电流源耦合。 [0021] 在又一实施形式中，电流源包括电流镜，所述电流镜包括第一和第二晶体管，所述第一和第二晶体管借助其控制侧彼此耦合。第二滤波器设置在电流镜的第一和第二晶体管之间，并且分别与第一和第二晶体管的控制侧连接。 [0022] 在检测器装置的实施形式中，放大器装置借助于第一放大器输入端与光电二极管连接。此外，如果放大器电路具有电流源，那么优选地，光电二极管位于与电流源共同的电流路径中，并且由所述电流源供电。所述电流路径在辅助放大器输出上接入，并且通过第二滤波器和电流源引向第一放大器输入端。 [0023] 在用于驱动放大器的方法的实施形式中，根据光电流提供输出电压。通过从输出电压中滤波直流电压，得出经滤波的直流电压。此外，该方法包括将经滤波的直流电压转换为输出电压，以及借助于从输出电流中滤波噪声引出降低噪声的电流。降低噪声的电流用于补偿光电流。 [0024] 借助于直流电压和噪声的滤波，放大器电路能够有利地并且用改进的滤波特性驱动。首先滤波直流电压和低频的信号分量，而借助于噪声滤波能够产生降低噪声的电流，并且用于补偿光电流。以这种方式防止噪声加在放大器电路的放大器输入端上。因为，这样的噪声通常具有与光电二极管电路的有用信号类似的大小，所以所述方法刚好能够有利地用于光电二极管的应用。 [0025] 此外，组合的滤波防止电路的超调。如果例如只设有噪声的滤波，那么超过滤波的截止频率的信号将放大器驱动至饱和。相反地，通过组合，能够防止这样的超调，并且没有信号失真或也没有不希望的信号分量实现。 [0026] 在另一实施形式中，从输出电流中滤波噪声根据从输出电压中直流电压的滤波进行。 [0027] 在放大器电路中的每种滤波造成表征的相移，所述相移能够通过传递函数描述。为了能够稳定地驱动放大器电路，有利的是，从输出电流中的噪声滤波根据从输出电压中的直流电压滤波这样相应地彼此协调，因此得到造成相移的传递函数，所述相移小于180°，优选在120°和135°之间的范围内。 [0028] 在再一实施形式中，从输出电流中的噪声滤波和从输出电压中的直流电压的滤波根据传递函数进行。直流电压的滤波的传递函数的至少一个零点对应于噪声的滤波的传递函数的极点。 [0029] 通过将直流电压的滤波的传递函数的至少一个零点与噪声的滤波的传递函数的极点相对应的方法，实现极点-零点补偿。由此，将放大器电路设定为，使得其总的来说保持稳定。优选地，将反馈的相移设定为，使得相移小于180°，优选在120°和135°之间的范围内。有利地，还能够通过极点-零点补偿防止放大器的超调。附图说明 [0030] 接下来，用实施例借助于附图进一步阐述本发明。功能相同的或作用相同的元件具有相同的附图标记。只要器件符合其功能，所述器件的描述不在接下来的每个附图中重复。 [0031] 附图示出： [0032] 图1示出根据提出的原理的放大器装置，和 [0033] 图2示出根据提出的原理的放大器装置的滤波器传递函数。 具体实施方式[0034] 图1示出根据提出的原理的放大器电路。在测量路径中，放大器电路具有放大器1，所述放大器的第一放大器输入端11和放大器输出端13借助于电阻器RTIA连接。在第二放大器输入端12上接入电位agnd。放大器输出端13与放大器电路的输出端OUT连接。 放大器电路的反馈路径包括第一滤波器2、辅助放大器3、第二滤波器4和电流源5。此外，反馈路径将放大器电路的输出端OUT与第一放大器输入端11连接。 [0035] 在此，具体地，第一滤波器2具有第一和第二电阻器R1、R2，以及第一和第二电容器C1、C2。在此，第一电阻器R1和第一电容器C1形成RC环节，其中第一电容器C1在电位agnd上接入。此外，第一电阻器R1与放大器装置的输出端OUT连接。与第一电阻器R1并联地，第二电阻器R2和第二电容器C2串联。第一电阻器R1和第一电容器C1与辅助放大器3的第一辅助放大器输入端31连接。此外，辅助放大器3具有与电位agnd连接的第二辅助放大器输入端32。辅助放大器3的辅助放大器输出端33在电流源5上接入。电流源5包括由第一和第二晶体管T1、T2组成的电流镜，所述晶体管借助于其负荷侧用第一电源电压VSS供给电压。第一晶体管T1与辅助放大器输出端33连接，并且第二晶体管T2与放大器输入端11连接。连接支路连接第一和第二晶体管T1、T2的控制侧。在电流镜的连接支路中存在第二滤波器4，所述第二滤波器实施为RC环节。此外，第二滤波器4与辅助放大器输出端33连接。沿着连接支路，RC环节具有第三电阻器R3，所述第三电阻器通过第三电容器C3连接到第一电源电压VSS上。此外，电流镜与第一放大器输入端11连接。此外，光电二极管PD与电流镜在与第一放大器输入端11和第一电源电压VSS共同的电流路径中连接。电流路径通过第二电源电压VDD和第一放大器输入端11通过第二晶体管T2引导到第一电源电压VSS上。 [0036] 光电二极管PD根据入射的光产生光电流Ipd。在与跨阻放大器1的组合中，所述光电流Ipd与入射的光的强度成正比。根据光电流Ipd，跨阻放大器1对输出端电压V输出进行放大，在放大器输出端13上提供所述输出电压。在此，放大通过电阻RTIA确定，并且通过 [0037] V输出＝Ipd·RTIA [0038] 给出。输出电压V输出能够在放大电压的输出端OUT上分接，并且通过反馈路径引回到跨阻放大器1上。 [0039] 此外，输出电压V输出首先通过第一滤波器2滤波。这根据第一滤波器2的表征的传递函数H2进行。第一滤波器的传递函数H2的准确的表达通过第一和第二电阻器R1、R2，以及通过第一和第二电容器C1、C2确定。用于所使用的滤波器的传递函数的其他细节根据图2阐述。第一滤波器2在辅助放大器31的输入端上提供滤波的输出电压Vfil。辅助放大器3根据在第二辅助放大器输入端31上接入的电位agnd放大所述滤波的输出电压Vfil。 此外，辅助放大器3设置为，从滤波的输出电压Vfil中提供滤波的输出电流Ifil。所述输出电流Ifil引向电流镜，并且通过第二滤波器4滤波。在此，第二滤波器4也具有第二滤波器4的表征的传递函数H4。第二滤波器4的传递函数H4的准确的表达通过第三电阻器R3和第三电容器C3确定。电流镜和第二滤波器的组合产生降低噪声的输出电流Idc，所述输出电流施加到第一放大器输入端11上。 [0040] 借助于第一和第二滤波器2、4能够有利地改进放大器电路的滤波特性。第一滤波器2造成直流电压分量和低频的信号分量的适合的滤波，而借助于第二滤波器4能够降低在反馈电流中的噪声部分。以这种方式防止噪声加在放大器电路的第一放大器输入端11上。因为，这样的噪声通常具有与光电二极管电路类似的大小，所以放大器电路正好能够有利地用于光电二极管PD的应用。 [0041] 此外，第一和第二滤波器2、4的组合防止电路的超调。如果例如只有第二滤波器4设置在辅助放大器3下游，那么超过第二滤波器的截止频率的信号将放大器驱动至饱和。 相反地，通过第一和第二滤波器2、4的组合，能够防止这样的超调，并且没有信号失真或也没有不希望的信号分量实现。 [0042] 图2示出根据提出的原理的放大器装置的第一和第二滤波器2、4的表征的传递函数。记录的是作为以Hz测量的频率f的函数的传递函数H。 [0043] 第一和第二滤波器2、4彼此协调。在此，特定的滤波参数、例如滤波器的截止频率(cut-off frequency)fc1、fc2、fc3来确定各个滤波器的传递函数H2、H4、HFB。整个反馈路径通过总传递函数HFB表征，所述总传递函数能够借助于单个滤波器的传递函数H2、H4表示。具体地，对于第一滤波器2得到截止频率 [0044] fc1＝(2πR1C1)-1 [0045] fc2＝(2πR2C2)-1。 [0046] 这样的截止频率表现在第一滤波器2的传递函数H2中。在第一滤波器2的截止频率fc1、fc2上，传递函数H2总是具有阶。相应地，得到第二滤波器4的截止频率fc3： [0047] fc3＝(2πR3C3)-1。 [0048] 与之相应地，第二滤波器的传递函数H4示出仅一个在截止频率fc3上出现的阶。这样的一阶传递函数具有低通滤波器的特性。 [0049] 现在，第一和第二滤波器2、4彼此协调成，使得第一和第二滤波器一起造成相移，所述相移将反馈保持稳定。优选地，使用小于180°的相移。此外，优选的是在120°至135°之间的范围内的相移。这如下进行：通过将截止频率fc1、fc2、fc3或相应的电阻器和电容器R1、R2、R3、C1、C2、C3选择为，使得第二滤波器4具有极点，并且所述极点能够借助于第一滤波器2的零点补偿。这样的极点-零点补偿通过下面的条件表征： [0050] fc3＝(2πR3C3)-1＝(2πR1C2)-1:＝fc3’。 [0051] 在此，fc3’表示极点-零点补偿的截止频率。如果满足所述条件，那么对于整个反馈路径，从两个传递函数H2、H4得到总传递函数HFB，所述总传递函数同样在图2中示出。总的来说，总传递函数HFB示出如单个低通滤波器所示出的曲线分布，这通过将第二滤波器4的极点经由第一滤波器2的零点补偿来得到。 [0052] 现在，第一和第二滤波器2、4彼此协调成，使得所述第一和第二滤波器一起造成与低通滤波器相符的总传递函数HFB。这有利地造成相移，所述相移使反馈保持稳定。优选地，使用小于180°的相移。此外，相移优选在120°至135°的范围内。 [0053] 附图标记列表 [0054] 1 放大器 [0055] 11 第一放大器输入端 [0056] 12 第二放大器输入端 [0057] 13 放大器输出端 [0058] 2 第一滤波器 [0059] 3 辅助放大器 [0060] 31 第一辅助放大器输入端 [0061] 32 第二辅助放大器输入端 [0062] 33 辅助放大器输出端 [0063] 4 第二滤波器 [0064] 5 电流源 [0065] 6 桥接电路 [0066] agnd 电位 [0067] fc1 截止频率 [0068] fc2 截止频率 [0069] fc3 截止频率 [0070] fc3’ 截止频率 [0071] H 传递函数 [0072] H2 第一滤波器的传递函数 [0073] H4 第二滤波器的传递函数 [0074] HFB 总传递函数 [0075] I1 恒流源 [0076] I2 恒流源 [0077] I3 恒流源 [0078] Idc 反馈电流 [0079] Ifil 滤波的输出电流 [0080] Ipd 光电流 [0081] OUT 输出端 [0082] PD 光电二极管 [0083] RTIA 电阻器 [0084] T1 桥接晶体管 [0085] T2 桥接晶体管 [0086] VDD 第二电源电压 [0087] Vfil 滤波的输出电压 [0088] VSS 第一电源电压 [0089] V输出 输出电压 |
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