WO2014072362A1 - Recepteur d'un signal lumineux impulsionnel a forte dynamique - Google Patents

Recepteur d'un signal lumineux impulsionnel a forte dynamique Download PDF

Info

Publication number
WO2014072362A1
WO2014072362A1 PCT/EP2013/073198 EP2013073198W WO2014072362A1 WO 2014072362 A1 WO2014072362 A1 WO 2014072362A1 EP 2013073198 W EP2013073198 W EP 2013073198W WO 2014072362 A1 WO2014072362 A1 WO 2014072362A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
receiver
light signal
capacitance
pulsed light
attenuation
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2013/073198
Other languages
English (en)
Inventor
Alexandre Veryeras
Daniel Passelaigue
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Thales SA
Original Assignee
Thales SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Thales SA filed Critical Thales SA
Priority to HK16102467.2A priority Critical patent/HK1214648B/xx
Priority to US14/441,822 priority patent/US9746372B2/en
Priority to EP13786288.4A priority patent/EP2917707B1/fr
Publication of WO2014072362A1 publication Critical patent/WO2014072362A1/fr
Priority to IL238670A priority patent/IL238670B/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/42—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
    • G01J1/44—Electric circuits
    • G01J1/46—Electric circuits using a capacitor
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S17/06—Systems determining position data of a target
    • G01S17/08—Systems determining position data of a target for measuring distance only
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/483—Details of pulse systems
    • G01S7/486—Receivers
    • G01S7/4861—Circuits for detection, sampling, integration or read-out
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F3/00—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
    • H03F3/04—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements with semiconductor devices only
    • H03F3/08—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements with semiconductor devices only controlled by light
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/42—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
    • G01J2001/4238—Pulsed light
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/42—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
    • G01J1/44—Electric circuits
    • G01J2001/4406—Plural ranges in circuit, e.g. switchable ranges; Adjusting sensitivity selecting gain values
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/42—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
    • G01J1/44—Electric circuits
    • G01J2001/4446—Type of detector
    • G01J2001/446—Photodiode

Definitions

  • the field of the invention is that of a photodiode receiver which receives light pulses in a very large dynamic range (from a few nanoamperes to a few tens of milliamperes).
  • This dynamic implements a device for switching the gain by discrete values, called "pads".
  • a photodiode 1 is conventionally represented by the assembly shown in FIG. As shown in the figure on the left, this photodiode is preferably charged by a resistor R ' d between the anode and the ground so as to absorb the direct current associated with ambient lighting, also referred to as background current, and which is included in the light signal received by the photodiode. According to the equivalent representation shown in the figure on the right, this resistance R ' d in parallel with the internal resistance of the photodiode forms an equivalent resistance Rd.
  • the photodiode is generally characterized by a capacitance Cd between the anode and the ground, shown in FIG. the figure on the right.
  • a photodiode 1 is associated with an amplifier TIA 2 through a connection capacitance C
  • iAIS it is typically greater than 10 nF.
  • an amplifier TIA comprises in parallel an operational amplifier AOP or an amplifier with discrete components, a feedback resistance R f and a stability capacitance C f .
  • Such a receiver makes it possible to neutralize the influence of the parasitic capacitance C d of the photodiode by means of a virtual mass. It is in first approximation a second order system
  • V s being the output voltage of the assembly
  • Î D the current generated by the photodiode
  • R f the TIA feedback resistance
  • ⁇ damping of the receiver
  • i + + ⁇ (eq 6)
  • i n - and e n being respectively the equivalent noise current at the negative input of the operational amplifier AOP and the equivalent noise voltage at the input of AOP which characterize the amplifier used, k the Boltzmann constant and T the temperature in degrees Kelvin.
  • the sensitivity is optimized by choosing the highest possible resistor R f compatible with the pulse processing band.
  • the subject of the invention is a receiver of a pulsed light signal which comprises:
  • a photodiode capable of generating an electric current l d in response to this light signal, having as characteristic a parasitic capacitance C d ,
  • a transimpedance amplifier connected at the input of the photodiode by a connection capacitance C
  • It is mainly characterized in that it comprises a series-parallel reactive circuit, constituted by a capacitance C p which, combined with the capacitance C d of the diode, produces a current divider, called an attenuation pad, upstream of the transimpedance amplifier.
  • This current divider attenuates the signal without degrading the noise.
  • the capacity Cp is typically located in series with the link capacity and integrates it in general.
  • the receiver comprises a resistance R d of background current located between the photodiode and the electrical mass, the capacitance C d and said resistor R d having an impedance Z d , and the pad of attenuation is furthermore constituted by a resistor R p in parallel with the capacitance C p , thus forming a parallel electrical network designated aperiodic attenuation pad, of impedance Z p with
  • This aperiodic attenuation pad makes it possible to compensate the influence of the resistor Rd and thus to maintain the receiver's response at low frequency.
  • the attenuation pad further comprises a switch in parallel with the capacitance C p , so as to obtain a switchable attenuation pad.
  • This switch makes it possible to short-circuit or switch the network R p C p .
  • the attenuation pad may furthermore comprise a capacitor C op t in parallel with C d , this capacitance C op t possibly being itself switchable.
  • the receiver further comprises a reception channel without an attenuation pad comprising another transimpedance amplifier, these reception channels being multiplexed by means of an input switch of these channels and an output switch of these channels synchronized with each other so as to obtain a receiver of different gains.
  • these reception channels may be multiplexed with said reception channels, each attenuation pad reception channel having a different attenuation.
  • the light signal is typically capable of generating in the photodiode current pulses between 10 nA and 100 mA.
  • Figure 1 has already described shows two equivalent schematic representations of a photodiode provided with a stage background resistance
  • FIG. 1 b shows schematically a receiver arrangement according to the state of the art comprising a photodiode and an amplifier TIA;
  • FIG. 2 diagrammatically represents an example of receiver mounting according to a first embodiment of the invention with a purely capacitive attenuation pad
  • FIG. 3a diagrammatically represents an example of receiver mounting according to a second embodiment of the invention, with an aperiodic attenuation pad switched around Rp Cp;
  • FIG. 3b diagrammatically represents an example of receiver mounting according to a third embodiment of the invention, with an aperiodic attenuation pad switched around Cd;
  • FIG. 3c schematically represents an example of receiver mounting according to a fourth embodiment of the invention, with a compensated aperiodic attenuation pad;
  • FIG. 4 diagrammatically shows an example of receiver mounting according to a fifth embodiment of the invention, with several switched reception channels;
  • Figure 5a shows the frequency response of a conventional constant bandwidth receiver for three gain values, showing a variation in damping
  • Figure 5b shows the frequency response of a constant bandwidth compensated aperiodic pad receiver for three gain values, showing the maintenance of damping.
  • the receiver according to the invention is based on the principle of a capacitive current divider bridge instead of being resistive.
  • FIG. 2 An example of a capacitive attenuation pad associated with a photodiode 1 equipped with a TIA 2 is shown in FIG. 2. In this figure, particular attention is given to indicating the electric currents.
  • the photodiode is an ideal current generator, capacitive due to the parasitic capacitance Cd.
  • the signal is attenuated without adding additional noise.
  • This attenuation pad 30 constituted by the capacitance Cp is optionally provided with a switch 31 placed in parallel with this capacitor Cp to adapt the gain to the received level.
  • the photodiode 1 is generally charged by a resistor Rd so as to absorb the direct current related to the ambient illumination.
  • This resistance Rd modifies the impedance of the photodiode which can no longer be considered as purely capacitive.
  • the capacitance Cp is then completed with a resistor Rp in parallel, which forms with this capacitance a parallel electrical network designated an aperiodic attenuation pad 30 of impedance Zp proportional to Zd which is the impedance of the circuit of the diode having the resistor R d and the capacitance C d in parallel.
  • I F is the current at the output of attenuation pad 30.
  • the attenuation of the current becomes independent of the frequency, the additive noise remaining very low since the resistance Rp is large in front of Rd because of the attenuation ratio a.
  • This aperiodic attenuation pad 30 is optionally provided with a switch 31 arranged in parallel with Rp and Cp.
  • the TIA 2 amplifier no longer sees the same impedance when the attenuation pad is engaged and its transfer function is affected as shown in FIG. 5a for frequency-dependent gain curves for three depreciations ⁇ (of 0.9, 0.7 and 0.5).
  • the assembly behaves like a second order system.
  • the proper pulsation ⁇ ⁇ corresponds to that of an assembly whose photodiode has a lower parasitic capacitance of a ratio a:
  • the static gain Z T is divided by a, which is desired: As soon as an attenuation a is achieved, the receiver's own pulse ⁇ ⁇ increases but the damping ⁇ increases since the damping / pulsation ratio remains constant.
  • aperiodic attenuation pad thus modified is then designated "compensated aperiodic attenuation pad”.
  • Such a receiver respects the same transfer transfer function engaged or not.
  • another switch 44 may be placed in series with the compensation capacitance Ccomp, between it and the ground.
  • the compensated aperiodic attenuation pad 30 functions when this other switch 44 is closed and the first one 31 is open and vice versa.
  • C p is related to the capacitance Cd of the detector and the attenuation ratio. For a value of Cd between 12 and 18 pF, we thus obtain by the formula
  • the proposed solution fig 3b is to increase artificially the capacitance Cd by adding in parallel a capacitance C op t 41, which at equal attenuation makes it possible to increase the value of Cp.
  • This capacitance C op t can be switched by a switch 42 placed in series towards ground.
  • the attenuation pad assembly 30 and the transimpedance amplifier 2 are designated by reception with attenuation pad 50.
  • the attenuation pad can be aperiodic or not, switchable or not, compensated or not, etc.
  • a proposed alternative is to use a plurality of receive channels, each of different gain, as in Figure 4 with two gain values.
  • the receiver has two reception channels:
  • a reception channel 50 with pad optimized with a compensated aperiodic attenuation pad
  • a track 50 'of reception without pad comprising only a transimpedance amplifier 2 optimized at maximum gain.
  • the channel is typically selected by a switch 61 located at the input of these channels and a switch 62 at the output of these channels, synchronized with each other to obtain a receiver with different gains.
  • the input switch 61 is advantageously provided with a link capacity on each of its outputs to a reception channel.
  • This receiver is typically integrated with a LIDAR. It can be used as part of a devometer, in particular a semi-differential active that is to say equipped with a designation laser capable of illuminating the target whose backscattering is measured by this receiver.
  • the target emits, for example, constant level light pulses, but when the receiver is at a great distance, it can only measure very low level pulses, whereas when it is at short range, it can measure pulses of strong level.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Amplifiers (AREA)

Abstract

L'invention concerne un récepteur d'un signal lumineux impulsionnel qui comprend : - une photodiode (1) apte à générer un courant électrique (ID) en réponse à ce signal lumineux, ayant comme caractéristique une capacité Cd, - une masse électrique, - un amplificateur transimpédance (2) relié en entrée de la photodiode par une capacité de liaison Cliaison. Il comporte un plot d'atténuation (30) situé entre la photodiode et l'amplificateur transimpédance, constitué d'une capacité Cp avec Cp=Cd/(α-1 ), a étant une atténuation prédéterminée avec a >1.

Description

RECEPTEUR D'UN SIGNAL LUMINEUX IMPULSIONNEL A FORTE DYNAMIQUE
Le domaine de l'invention est celui d'un récepteur à photodiode qui reçoit des impulsions lumineuses dans une très grande dynamique (de quelques nanoampères à quelques dizaines de milliampères). Cette dynamique met en œuvre un dispositif de commutation du gain par valeurs discrètes, appelées « plots ».
La solution la plus couramment mise en œuvre pour obtenir un tel récepteur consiste à équiper une photodiode d'un amplificateur TIA acronyme de l'expression anglo-saxonne « Transi mpedance Amplifier » ; cet amplificateur TIA de fort produit gain bande (ou GBW acronyme de l'expression anglo-saxonne « Gain Bandwidth Product ») et de très faible bruit conditionne la performance de sensibilité.
On représente de manière classique une photodiode 1 par le montage montré figure 1 a. Comme montré sur la figure de gauche, cette photodiode est de préférence chargée par une résistance R'd entre l'anode et la masse de manière à absorber le courant continu lié à l'éclairement ambiant aussi désigné courant de fond de scène, et qui est inclus dans le signal lumineux reçu par la photodiode. Selon la représentation équivalente montrée sur la figure de droite, cette résistance R'd en parallèle avec la résistance interne de la photodiode forme une résistance équivalente Rd. La photodiode est généralement caractérisée par une capacité Cd entre l'anode et la masse, montrée sur la figure de droite.
Dans un montage classique de récepteur dont un exemple est représenté figure 1 b, une telle photodiode 1 est associée à un amplificateur TIA 2 à travers une capacité de liaison C|iaiSon qui contribue à séparer les impulsions utiles du courant de fond de scène. La valeur de cette capacité de liaison C|iaiSon est typiquement supérieure à 10 nF. On rappelle qu'un amplificateur TIA comprend en parallèle un amplificateur opérationnel AOP ou un amplificateur à composants discrets, une résistance de contre-réaction Rf et une capacité de stabilité Cf. Un tel récepteur permet de neutraliser l'influence de la capacité parasite Cd de la photodiode grâce à une masse virtuelle. C'est en première approximation un système bouclé d'ordre 2
• De gain de conversion Z tel que
Figure imgf000004_0001
Vs étant la tension en sortie du montage, Î D le courant généré par la photodiode, p (p = j ω = j 2π ί) la variable de Laplace, Rf la résistance de contre-réaction du TIA, ζ l'amortissement du récepteur.
et de pulsation propre ω telle que
Ιπ ΟΒΨ
ω (eq 2)
f (cd + Cf )
Le rapport amortissement sur pulsation propre s'écrit :
Figure imgf000004_0002
en pratique :
Figure imgf000004_0003
ce rapport prend alors la forme simple :
- - - RfCf (eq 5)
ω„ 2 f f La modification du gain s'obtient d'après (eq 1 ) par le changement de la valeur Rf qu\ suivant (eq 2) modifie la pulsation propre ωη et donc l'amortissement ^ d'après (eq 5). Il apparaît donc difficile avec une solution conventionnelle de changer le gain sans modifier la fonction de transfert.
La réponse en fréquence est illustrée figure 5a pour trois amortissements ζ (de 0.9, 0.7 et 0.5). Cette figure met en évidence le fait que le changement du gain influence l'amortissement lorsque la bande est maintenue constante. Un autre critère important est le bruit en courant équivalent, ramené à l'entrée de l'amplificateur TIA, qui s'écrit :
2
4 k T
i: + + · (eq 6) in- et en étant respectivement le courant équivalent de bruit à l'entrée négative de l'amplificateur opérationnel AOP et la tension équivalente de bruit à l'entrée de AOP qui caractérisent l'amplificateur opérationnel utilisé, k la constante de Boltzmann et T la température en degrés Kelvin.
Pour un amplificateur TIA et une photodiode donnés, la sensibilité est optimisée en choisissant la résistance Rf la plus élevée possible, compatible de la bande de traitement des impulsions.
Cependant, plus le gain est grand, plus l'admissibilité est faible puisque l'excursion en tension à la sortie de l'amplificateur est fixée par les alimentations. A contrario une diminution du gain augmente l'admissibilité mais détériore le bruit avec une limitation du courant imposée par le courant de sortie maximum de l'amplificateur.
Le problème se pose donc d'obtenir un récepteur optimum pour des signaux faibles mais aussi pour des signaux forts tout en conservant de préférence la même réponse en fréquence. Les solutions conventionnelles sont :
· Réduire le gain de l'amplificateur TIA, en diminuant la résistance de contre réaction Rf qui fixe le gain de conversion du TIA, ce qui améliore l'admissibilité mais au détriment du bruit. D'autre part réduire la résistance de contre réaction a pour effet d'augmenter significativement la bande passante, ce qui n'est a priori pas souhaitable si on veut une forme d'impulsion indépendante du gain.
• Placer un atténuateur résistif commuté entre la photodiode et l'amplificateur TIA de manière à réduire le gain lorsque le niveau reçu dépasse l'admissibilité. Cela dégrade le bruit car les résistances génèrent du bruit. De plus les commutateurs présentent des capacités parasites non négligeables devant la capacité de la photodiode, ce qui affecte la fonction de transfert.
Les solutions conventionnelles ne répondent pas au besoin. En conséquence, il demeure à ce jour un besoin pour un récepteur à grande dynamique optimisé en bruit.
Plus précisément l'invention a pour objet un récepteur d'un signal lumineux impulsionnel qui comprend :
- une photodiode apte à générer un courant électrique ld en réponse à ce signal lumineux, ayant comme caractéristique une capacité parasite Cd,
- une masse électrique,
- un amplificateur transimpédance relié en entrée de la photodiode par une capacité de liaison C|iaiSon-
Il est principalement caractérisé en ce qu'il comporte un circuit réactif série-parallèle, constitué d'une capacité Cp qui, combinée avec la capacité Cd de la diode réalise un diviseur de courant, appelé plot d'atténuation, en amont de l'amplificateur transimpédance.
Ce diviseur de courant permet d'atténuer le signal sans dégrader le bruit.
La capacité Cp est typiquement située en série avec la capacité de liaison et l'intègre en général.
Selon une caractéristique de l'invention, le récepteur comporte une résistance Rd de courant de fond de scène située entre la photodiode et la masse électrique, la capacité Cd et ladite résistance Rd ayant une impédance Zd, et le plot d'atténuation est en outre constitué d'une résistance Rp en parallèle avec la capacité Cp, formant ainsi un réseau électrique parallèle désigné plot d'atténuation apériodique, d'impédance Zp avec
Zp = (a -1 )Zd.
Ce plot d'atténuation apériodique permet de compenser l'influence de la résistance Rd et ainsi de maintenir la réponse du récepteur en basse fréquence.
Eventuellement, le plot d'atténuation comporte en outre un commutateur en parallèle de la capacité Cp, de manière à obtenir un plot d'atténuation commutable. Ce commutateur permet de court-circuiter ou commuter le réseau Rp Cp. Le plot d'atténuation peut comporter en outre une capacité Copt en parallèle de Cd, cette capacité Copt étant éventuellement elle-même commutable.
Le plot d'atténuation apériodique peut aussi être en outre constitué d'une capacité de compensation CCOmp en parallèle de l'entrée de l'amplificateur transimpédance, pour former ainsi un plot d'atténuation apériodique compensé, avec CCOmp = Cd (a - 1 )/cc, cette capacité de compensation étant éventuellement commutable.
L'ensemble plot d'atténuation et amplificateur transimpédance étant désigné voie de réception à plot d'atténuation, le récepteur comporte en outre une voie de réception sans plot d'atténuation comportant un autre amplificateur transimpédance, ces voies de réception étant multiplexées au moyen d'un commutateur d'entrée de ces voies et d'un commutateur de sortie de ces voies synchronisés entre eux de manière à obtenir un récepteur de différents gains. Bien sûr plusieurs autres voies de réception à plot d'atténuation peuvent être multiplexées avec lesdites voies de réception, chaque voie de réception à plot d'atténuation présentant une atténuation différente.
Le signal lumineux est typiquement apte à générer dans la photodiode des impulsions de courant compris entre 10 nA et 100 mA.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit, faite à titre d'exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés dans lesquels :
La figure 1 a déjà décrite montre deux représentations schématiques équivalentes d'une photodiode munie d'une résistance de fond de scène ;
La figure 1 b représente schématiquement un montage de récepteur selon l'état de la technique comportant une photodiode et un amplificateur TIA ;
La figure 2 représente schématiquement un exemple de montage de récepteur selon un premier mode de réalisation de l'invention avec un plot d'atténuation purement capacitif ; La figure 3a représente schématiquement un exemple de montage de récepteur selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, avec un plot d'atténuation apériodique commuté autour de Rp Cp ;
La figure 3b représente schématiquement un exemple de montage de récepteur selon un troisième mode de réalisation de l'invention, avec un plot d'atténuation apériodique commuté autour de Cd ;
La figure 3c représente schématiquement un exemple de montage de récepteur selon un quatrième mode de réalisation de l'invention, avec un plot d'atténuation apériodique compensé ;
La figure 4 représente schématiquement un exemple de montage de récepteur selon un cinquième mode de réalisation de l'invention, avec plusieurs voies de réception commutées ;
La figure 5a montre la réponse en fréquence d'un récepteur classique à bande passante constante pour trois valeurs de gain, montrant une variation de l'amortissement ;
La figure 5b montre la réponse en fréquence d'un récepteur à plot apériodique compensé à bande passante constante pour trois valeurs de gain, montrant le maintien de l'amortissement.
D'une figure à l'autre, les mêmes éléments sont repérés par les mêmes références.
Le récepteur selon l'invention se fonde sur le principe d'un pont diviseur de courant capacitif au lieu d'être résistif.
Un exemple de plot d'atténuation capacitif associé à une photodiode 1 équipée d'un TIA 2 est montré figure 2. Sur cette figure on s'attache plus particulièrement à indiquer les courants électriques.
La photodiode est un générateur de courant idéal, capacitif du fait de la capacité parasite Cd. En ajoutant une capacité Cp en série entre le TIA 2 et la photodiode 1 , en entrée ou en sortie de la capacité de liaison, le courant généré par la photodiode se répartit entre la capacité Cd et la capacité Cp en fonction des valeurs des capacités : lF =— via la capacité C ; d =—/D via la capacité Cd . La valeur de la capacité C„ =—— fixe l'atténuation =— du diviseur
P a-\ Cp
capacitif. Le signal est donc atténué sans ajout de bruit supplémentaire.
On a cc>1 ; dans la pratique on choisit une atténuation a typiquement comprise entre 2 et 30. La valeur de Cp est typiquement inférieure à 10 pF.
Ce plot d'atténuation 30 constitué de la capacité Cp est éventuellement muni d'un commutateur 31 placé en parallèle de cette capacité Cp pour adapter le gain au niveau reçu.
Analysons plus particulièrement le comportement d'un tel récepteur aux fréquences basses, c'est-à-dire inférieures à 100 kHz :
Comme indiqué en préambule, la photodiode 1 est généralement chargée par une résistance Rd de manière à absorber le courant continu lié à l'éclairement ambiant. Cette résistance Rd modifie l'impédance de la photodiode qui ne peut alors plus être considérée comme purement capacitive.
Comme montré figure 3a, on complète alors la capacité Cp avec une résistance Rp en parallèle, qui forme avec cette capacité un réseau électrique parallèle désigné plot d'atténuation 30 apériodique d'impédance Zp proportionnelle à Zd qui est l'impédance du circuit de la diode comportant la résistance Rd et la capacité Cd en parallèle.
En posant Zp = a -\)Zd , il vient :
Figure imgf000009_0001
IF étant le courant en sortie du plot d'atténuation 30. L'atténuation du courant devient alors indépendante de la fréquence, le bruit additif restant très faible puisque la résistance Rp est grande devant Rd du fait du rapport d'atténuation a. Ce plot d'atténuation apériodique 30 est éventuellement muni d'un commutateur 31 disposé en parallèle de Rp et Cp.
A présent, analysons plus particulièrement le comportement d'un tel récepteur aux fréquences hautes c'est-à-dire supérieures à 10 MHz :
Avec le montage précédent de récepteur, l'amplificateur TIA 2 ne voit plus la même impédance lorsque le plot d'atténuation est engagé et sa fonction de transfert en est affectée comme illustré figure 5a pour des courbes de gain en fonction de la fréquence pour trois amortissements ζ (de 0,9, 0,7 et 0,5). Le montage se comporte comme un système du second ordre.
Le rapport amortissement / pulsation propre :
Figure imgf000010_0001
Lorsque la condition de produit gain x bande suffisant est respectée:
Figure imgf000010_0002
le rapport amortissement sur pulsation propre reste constant
C C 1 _ _
Mais
La pulsation propre ώη correspond à celle d'un montage dont la photodiode a une capacité parasite plus faible d'un rapport a :
2π ΟΒ 2π ΟΒ
C
R<
a
Le gain statique ZT est divisé par a, ce qui est souhaité :
Figure imgf000010_0003
Dès lors qu'une atténuation a est réalisée, la pulsation propre ώη du récepteur augmente mais l'amortissement ζ augmente puisque le rapport amortissement / pulsation propre reste constant.
Pour conserver la même bande passante avec et sans atténuation, il faut modifier l'amortissement ; on ajoute donc une compensation pour obtenir la même fonction de transfert.
Observant que le rapport amortissement sur pulsation propre est invariant, le maintien simultané de l'amortissement et de la pulsation propre est obtenu en ajoutant une capacité de compensation CCOmp 43 montrée figure 3c, en parallèle sur l'entrée de l'amplificateur TIA 2 telle que :
Figure imgf000011_0001
Soit :
C = L Cl
ce
Le plot d'atténuation apériodique ainsi modifié est alors désigné « plot d'atténuation apériodique compensé ».
Un tel récepteur respecte la même fonction de transfert plot engagé ou non.
En plus du commutateur 31 (premier commutateur), un autre commutateur 44 peut être placé en série avec la capacité de compensation Ccomp, entre elle et la masse. Le plot d'atténuation 30 apériodique compensé fonctionne lorsque cet autre commutateur 44 est fermé et le premier 31 est ouvert et inversement. Dans la définition du plot apériodique, la valeur de la capacité
Cp est liée à la capacité Cd du détecteur et au rapport d'atténuation. Pour une valeur de Cd comprise entre 12 et 18 pF, on obtient donc par la formule
Cp =— -— Cd et avec a compris entre 10 et 20, une valeur de Cp très faible
( -1)
comprise entre 0,5 et 2 pF difficilement maîtrisable industriellement dans la réalisation d'un montage. La solution proposée fig 3b consiste à augmenter artificiellement la capacité Cd par ajout en parallèle d'une capacité Copt 41 , ce qui à atténuation égale permet d'augmenter la valeur de Cp. Cette capacité Copt peut être commutée par un commutateur 42 placé en série vers la masse.
Dans la pratique les commutateurs sont imparfaits et l'implantation peut ajouter des éléments parasites qui peuvent dans certains cas dégrader la fonction de transfert. On désigne par voie de réception avec plot d'atténuation 50, l'ensemble plot d'atténuation 30 et amplificateur transimpédance 2. Le plot d'atténuation peut être apériodique ou non, commutable ou non, compensé ou non etc. Une alternative proposée consiste à utiliser une pluralité de voies de réception, chacune de gain différent, comme sur la figure 4 avec deux valeurs de gain. Dans cet exemple, le récepteur comporte deux voies de réception :
- une voie 50 de réception avec plot, optimisée avec un plot d'atténuation apériodique compensé et
- une voie 50' de réception sans plot (ne comportant qu'un amplificateur transimpédance 2) optimisée à gain maximum.
La sélection de la voie s'effectue typiquement par un commutateur 61 situé en entrée de ces voies et un commutateur 62 situé en sortie de ces voies, synchronisés entre eux pour obtenir un récepteur à différents gains. Le commutateur d'entrée 61 est avantageusement muni d'une capacité de liaison sur chacune de ses sorties vers une voie de réception.
Le récepteur ainsi équipé d'un plot d'atténuation présente les avantages suivants:
· Admissibilité supérieure à celle d'un montage conventionnel ;
• Réponse en fréquence indépendante du gain ;
• Bruit optimisé ;
• Prise en compte des capacités parasites des commutateurs ;
• Pas de compromis à trouver entre sensibilité et tenue en puissance ;
• Réalisation simple.
Ce récepteur est typiquement intégré à un LIDAR. Il peut être utilisé comme élément d'un écartomètre notamment d'un écartomètre semi- actif c'est-à-dire équipé d'un laser de désignation apte à illuminer la cible dont la rétrodiffusion est mesurée par ce récepteur. La cible émet par exemple des impulsions lumineuses de niveau constant, mais lorsque le récepteur est à grande distance, il ne peut mesurer que des impulsions de très bas niveau, alors que lorsqu'il est à courte distance, il peut mesurer des impulsions de fort niveau.

Claims

REVENDICATIONS
Récepteur d'un signal lumineux impulsionnel qui comprend :
- une photodiode (1 ) apte à générer un courant électrique (lD) en réponse à ce signal lumineux, ayant comme caractéristique une capacité Cd,
- une masse électrique,
- un amplificateur transimpédance (2) relié en entrée de la photodiode par une capacité de liaison C|iaiSon,
caractérisé en ce qu'il comporte un plot d'atténuation (30) situé entre la photodiode et l'amplificateur transimpédance, constitué d'une capacité Cp avec Cp=Cd/(a-1 ), a étant une atténuation prédéterminée avec a >1 .
Récepteur d'un signal lumineux selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la capacité Cp est située en série avec la capacité de liaison C|iaiSon-
Récepteur d'un signal lumineux impulsionnel selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la capacité de liaison est intégrée à la capacité
Récepteur d'un signal lumineux impulsionnel selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte une résistance Rd de courant de fond de scène située entre la photodiode et la masse électrique, la capacité Cd et ladite résistance Rd ayant une impédance Zd, et en ce que le plot d'atténuation est en outre constitué d'une résistance Rp en parallèle avec la capacité Cp, formant ainsi un réseau électrique parallèle désigné plot d'atténuation (30) apériodique, d'impédance Zp avec Zp = (a -1 )Zd.
Récepteur d'un signal lumineux impulsionnel selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le plot d'atténuation (30) comporte en outre un commutateur (31 ) en parallèle de la capacité Cp, de manière à obtenir un plot d'atténuation commutable.
6. Récepteur d'un signal lumineux impulsionnel selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le plot d'atténuation (30) comporte en outre une capacité Copt (41 ) en parallèle de Cd.
7. Récepteur d'un signal lumineux impulsionnel selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le plot d'atténuation (30) comporte en outre un commutateur (42) en série de la capacité Copt (41 ).
8. Récepteur d'un signal lumineux impulsionnel selon l'une des revendications précédentes prise en combinaison avec la revendication 4, caractérisé en ce que le plot d'atténuation apériodique (30) est en outre constitué d'une capacité de compensation CCOmp (43) en parallèle de l'entrée de l'amplificateur transimpédance (2), pour former ainsi un plot d'atténuation apériodique compensé, avec CCOmp = Cd(cc -1 )/ a.
9. Récepteur d'un signal lumineux impulsionnel selon la revendication précédente prise en combinaison avec la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un commutateur (44) en série avec la capacité de compensation (43) et relié à la masse, de manière à obtenir une capacité de compensation commutable.
1 0. Récepteur d'un signal lumineux impulsionnel selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que, l'ensemble plot d'atténuation (30) et amplificateur transimpédance (2) étant désigné voie de réception à plot d'atténuation (50), il comporte en outre une voie de réception sans plot d'atténuation (50') comportant un autre amplificateur transimpédance, ces voies de réception étant multiplexées au moyen d'un commutateur d'entrée de ces voies (61 ) et d'un commutateur de sortie de ces voies (62) synchronisés entre eux de manière à obtenir un récepteur à différents gains.
1 1 . Récepteur d'un signal lumineux impulsionnel selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une autre voie de réception à plot d'atténuation, multiplexée avec lesdites voies de réception (50, 50'), chaque voie de réception à plot d'atténuation présentant une atténuation différente.
12. Récepteur d'un signal lumineux impulsionnel selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'amplificateur transimpédance (2) comporte un amplificateur opérationnel ou un amplificateur à composants discrets.
13. Récepteur d'un signal lumineux impulsionnel selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le signal lumineux est apte à générer dans la photodiode des impulsions de courant compris entre 10 nA et 100 mA.
14. Récepteur d'un signal lumineux impulsionnel selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que a est compris entre 2 et 30.
15. Lidar comportant un récepteur d'un signal lumineux impulsionnel selon l'une des revendications précédentes.
16. Ecartomètre équipé d'un récepteur selon l'une des revendications précédentes.
17. Ecartomètre selon la revendication précédente, équipé en outre d'un laser de désignation.
PCT/EP2013/073198 2012-11-09 2013-11-06 Recepteur d'un signal lumineux impulsionnel a forte dynamique Ceased WO2014072362A1 (fr)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
HK16102467.2A HK1214648B (en) 2012-11-09 2013-11-06 Receiver of a pulsed light signal with wide dynamic range
US14/441,822 US9746372B2 (en) 2012-11-09 2013-11-06 Receiver of a pulsed light signal with wide dynamic range
EP13786288.4A EP2917707B1 (fr) 2012-11-09 2013-11-06 Recepteur d'un signal lumineux impulsionnel a forte dynamique
IL238670A IL238670B (en) 2012-11-09 2015-05-07 Receiver of a pulsed light signal with a wide dynamic range

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR12/03012 2012-11-09
FR1203012A FR2998051B1 (fr) 2012-11-09 2012-11-09 Recepteur d'un signal lumineux impulsionnel a forte dynamique

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2014072362A1 true WO2014072362A1 (fr) 2014-05-15

Family

ID=48050794

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2013/073198 Ceased WO2014072362A1 (fr) 2012-11-09 2013-11-06 Recepteur d'un signal lumineux impulsionnel a forte dynamique

Country Status (5)

Country Link
US (1) US9746372B2 (fr)
EP (1) EP2917707B1 (fr)
FR (1) FR2998051B1 (fr)
IL (1) IL238670B (fr)
WO (1) WO2014072362A1 (fr)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107370461B (zh) * 2017-07-17 2020-07-10 电子科技大学 一种应用于跨阻放大器的补偿结构
KR102019382B1 (ko) * 2017-09-29 2019-09-06 현대오트론 주식회사 거리 검출 센서 및 그것의 동작 방법
WO2022090672A1 (fr) * 2020-10-30 2022-05-05 Oledcomm Dispositif optoélectronique discret pour un point d'accès ou terminal d'un réseau optique non filaire
US11754444B2 (en) * 2021-03-19 2023-09-12 Rockwell Collins, Inc. Distributed integrate and dump circuit
US12301174B2 (en) * 2022-03-01 2025-05-13 Bae Systems Information And Electronic Systems Integration Inc. Transimpedance amplifier having T-network feedback architecture and method thereof

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4415803A (en) * 1980-10-22 1983-11-15 Bell Telephone Laboratories, Incorporated Optical receiver with improved dynamic range
US20040036012A1 (en) * 2002-08-26 2004-02-26 Atsushi Horiguchi Photodetector
US6862322B1 (en) * 2000-05-19 2005-03-01 International Business Machines Corporation Switchable-bandwidth optical receiver
US20060001493A1 (en) * 2004-07-02 2006-01-05 Infineon Technologies Fiber Optics Gmbh Amplifier circuit for converting the current signal from an optical receiving element into a voltage signal

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7418213B2 (en) * 2004-08-12 2008-08-26 Finisar Corporation Transimpedance amplifier with integrated filtering and reduced parasitic capacitance

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4415803A (en) * 1980-10-22 1983-11-15 Bell Telephone Laboratories, Incorporated Optical receiver with improved dynamic range
US6862322B1 (en) * 2000-05-19 2005-03-01 International Business Machines Corporation Switchable-bandwidth optical receiver
US20040036012A1 (en) * 2002-08-26 2004-02-26 Atsushi Horiguchi Photodetector
US20060001493A1 (en) * 2004-07-02 2006-01-05 Infineon Technologies Fiber Optics Gmbh Amplifier circuit for converting the current signal from an optical receiving element into a voltage signal

Also Published As

Publication number Publication date
EP2917707A1 (fr) 2015-09-16
IL238670A0 (en) 2015-06-30
HK1214648A1 (zh) 2016-07-29
US20150292942A1 (en) 2015-10-15
EP2917707B1 (fr) 2016-09-07
IL238670B (en) 2019-05-30
FR2998051B1 (fr) 2014-12-26
US9746372B2 (en) 2017-08-29
FR2998051A1 (fr) 2014-05-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2917707B1 (fr) Recepteur d&#39;un signal lumineux impulsionnel a forte dynamique
JP5165792B2 (ja) 高利得増幅器と等化回路とを用いた高感度光受信機
FR2819064A1 (fr) Regulateur de tension a stabilite amelioree
WO2015110307A1 (fr) Procede et dispositif de determination de l&#39;impedance d&#39;un element de stockage d&#39;energie d&#39;une batterie
FR2946201A1 (fr) Annulation d&#39;offset pour amplificateur audio
FR2740924A1 (fr) Protection d&#39;entree pour un amplificateur a bande passante elevee
FR2482383A1 (fr) Amplificateur operationnel
WO2014029942A1 (fr) Dispositif d&#39;amplification analogique destine notamment a un anemometre laser
WO2010072941A2 (fr) Dispositif pour quantifier et localiser un signal lumineux module a une frequence predeterminee
EP3275083A1 (fr) Coupleur électrique puissance/données
EP3206038B1 (fr) Dispositif de mesure d&#39;un courant électrique généré par un amplificateur acoustique pour actionner une enceinte acoustique
FR3018419A1 (fr) Dispositif et procede de filtrage du pic de resonance dans un circuit d&#39;alimentation d&#39;au moins un haut-parleur en amont de celui-ci
EP0280381B1 (fr) Circuit de commande de gain d&#39;un amplificateur d&#39;écoute par haut-parleur pour la suppression de l&#39;effet Larsen
WO2011107671A1 (fr) Convertisseur courant-tension à réflecteur de courant, étage d&#39;entrée d&#39;un amplificateur et amplificateur correspondant
EP1762854A2 (fr) Dispositif de mesure d&#39;impulsions de courant très brèves
EP3249949B1 (fr) Dispositif et procede de filtrage du pic de resonance dans un circuit d&#39;alimentation d&#39;au moins un haut-parleur
FR3073283A1 (fr) Dispositif de protection contre la foudre ameliore pour une entree differentielle
CA2051882A1 (fr) Dispositif de traitement d&#39;un signal provenant d&#39;un capteur ayant une reponse du type derivatif
FR3054766A1 (fr) Ensemble a haut-parleur a armature equilibree ameliore
EP4473658B1 (fr) Amplificateur audio haute performance
EP2568600A1 (fr) Dispositif de détection doté d&#39;un montage transimpédance
EP0656685B1 (fr) Dispositif d&#39;amplification à rétroaction
FR2619972A1 (fr) Etage amplificateur differentiel et configurations de circuits utilisant un tel etage
FR2731078A1 (fr) Circuit d&#39;adaptation pour un appareil de mesure de champs electriques et appareil de mesure de champs electriques equipe d&#39;un tel circuit
CA2103403A1 (fr) Capteurs electromagnetiques semi-actifs a fonction de transfert distribuee

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 13786288

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

REEP Request for entry into the european phase

Ref document number: 2013786288

Country of ref document: EP

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2013786288

Country of ref document: EP

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 238670

Country of ref document: IL

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 14441822

Country of ref document: US

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE