為什么跨阻放大器和比較器是LIDAR接收信號鏈中的關(guān)鍵元件

在此設(shè)計解決方案中，我們解釋了為什么跨阻放大器（TIA）和比較器是LIDAR接收信號鏈中的關(guān)鍵元件，并展示了新的TIA和比較器IC如何提高使用LIDAR技術(shù)的ADAS系統(tǒng)的精度。

雖然正在進行大量的研究和開發(fā)以改進光學(xué)前端，但 激光雷達系統(tǒng)產(chǎn)生的環(huán)境圖像同樣取決于后端的性能 接收器電子設(shè)備。接收信號鏈中的兩個關(guān)鍵元件是跨阻放大器 （TIA）和比較器。在此設(shè)計解決方案中，我們回顧了這些組件的關(guān)鍵功能要求 在介紹旨在為未來激光雷達帶來無與倫比的精度水平的新型 TIA 和比較器 IC 之前 系統(tǒng)。

激光雷達的工作原理

LIDAR系統(tǒng)的簡化框圖如圖2所示。從多維激光傳輸?shù)墓?光束從入射物體反射回來，并使用光電探測器（或雪崩光電二極管）進行檢測。這 檢波器的輸出電流使用TIA轉(zhuǎn)換為差分電壓信號，然后由比較器組成 用于指示已成功檢測到反射信號（通過超過預(yù)設(shè)閾值）。因為 光速是恒定的，發(fā)射和接收光信號之間的延遲（飛行時間）可以是 由MCU測量和計算（有時在專用信號處理IC的幫助下）。

圖2.激光雷達系統(tǒng)框圖。

選擇 TIA

TIA在接收器信號鏈中的性能對整個系統(tǒng)運行至關(guān)重要。檢測障礙物 （固定或移動），它需要足夠?qū)挼膸拋聿东@各種不同路況下的所有細節(jié)。 更高的帶寬允許采集更多的像素，有助于實現(xiàn)更好的距離分辨率。TIA 應(yīng)該 具有盡可能低的噪聲，以免扭曲正在傳輸?shù)男盘柌⒈苊庹`解 更長的距離。可選增益允許增加輸入電流的動態(tài)范圍（可能消除 需要在信號鏈的后期進行另一個放大級）。IC還應(yīng)具有安全的能力 承受較大的瞬態(tài)輸入過載電流并從中快速恢復(fù)。此外，由于光學(xué)前端 的激光雷達系統(tǒng)消耗大量功率，理想情況下，應(yīng)該可以將TIA放置在 未使用通道時的低功耗模式。圖 3 所示的 TIA 專門設(shè)計用于 滿足這些標(biāo)準(zhǔn)。

圖3.MAX40660/MAX40661跨阻放大器，用于汽車激光雷達。

具有160MHz （MAX40661）和490MHz （MAX40660）的帶寬選項，它們只能放大輸入電流脈沖 持續(xù)時間為幾納秒，提供更高的分辨率。2.1pA√Hz 的噪聲系數(shù)允許系統(tǒng)運行 在更長的距離上。動態(tài)范圍可通過兩個引腳可選的 25kΩ 跨阻值進行調(diào)整 和50kΩ，可能無需后續(xù)放大級。這些部件足夠堅固，可以 可承受高達 2A 的輸入電流，持續(xù) 10 ns，并具有僅 2ns 的快速過載電流恢復(fù)時間 （高達 100mA）。不使用時，它們可以置于低功耗模式，僅消耗26mW的功率。這些 IC 符合 AEC-Q100 標(biāo)準(zhǔn)，其 FMEDA 結(jié)果可用于輔助 ASIL 合規(guī)性計算 系統(tǒng)級別。它們采用 3mm x 3mm 10 引腳 TDFN 封裝，側(cè)面可潤濕側(cè)翼，使 它們是汽車激光雷達應(yīng)用的絕佳選擇。

選擇比較器

雖然很明顯，LIDAR應(yīng)用中使用的比較器應(yīng)該具有盡可能小的傳播延遲， 它的分散度可能并不那么明顯，它同樣重要。比較器的色散為 由輸入信號過驅(qū)動電壓和/或壓擺率變化引起的傳播延遲變化，應(yīng) 也盡可能低。例如，色散系數(shù)為1.6ns的典型比較器將考慮 如果在激光雷達應(yīng)用中使用，測量誤差為 24 厘米。由于這些原因，圖4所示的比較器是最佳選擇。

圖4.280ps高速比較器，具有超低色散和LVDS輸出。

傳播延遲僅為280ps，過驅(qū)色散系數(shù)低至10ps（對于V外徑= 20mV 至 100mV）， 如圖5所示，它考慮了0.15cm的測量誤差。低壓差分信號 （LVDS） 提供的輸出有助于最大限度地降低功耗（采用 2.7V 電源時為 39.4mW），同時還允許 與許多 FPGA 和 CPU 接口。互補輸出有助于抑制每個輸出上的共模噪聲 線路（典型值為 80dB）。

圖5.MAX40026的色散與過驅(qū)動電壓的關(guān)系

對于汽車應(yīng)用，MAX40026采用符合AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)的2mm x 2mm 8引腳TDFN封裝。 側(cè)面可潤濕封裝。對于工業(yè)或其它應(yīng)用，MAX40025A提供1.218mm x 0.818mm、 6 焊球晶圓級封裝 （WLP）。MAX40025C是該器件的變體，無輸入遲滯。 如表1所示。

表 1.MAX4002X型號摘要

總結(jié)

激光雷達技術(shù)目前用于許多汽車ADAS系統(tǒng)，并將在 自動駕駛汽車的未來發(fā)展。雖然對光學(xué)器件的操作給予了很多關(guān)注 在前端，我們已經(jīng)展示了接收器信號鏈中的電子元件對整個系統(tǒng)的重要性 性能。在這個設(shè)計解決方案中，我們展示了TIA和比較器IC，它們可以提供前所未有的 激光雷達系統(tǒng)和其他飛行時間應(yīng)用的精度水平，同時滿足嚴(yán)格的安全標(biāo)準(zhǔn)。

審核編輯：郭婷