為什么跨阻放大器和比較器是LIDAR接收信號鏈中的關鍵元件

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

雖然正在進行大量的研究和開發(fā)以改進光學前端，但 激光雷達系統(tǒng)產生的環(huán)境圖像同樣取決于后端的性能 接收器電子設備。接收信號鏈中的兩個關鍵元件是跨阻放大器 （TIA）和比較器。在此設計解決方案中，我們回顧了這些組件的關鍵功能要求 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。從多維激光傳輸的光 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（通過超過預設閾值）。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)運行至關重要。檢測障礙物 （固定或移動），它需要足夠寬的帶寬來捕獲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，有助于實現更好的距離分辨率。TIA 應該 具有盡可能低的噪聲，以免扭曲正在傳輸的信號并避免誤解 更長的距離?？蛇x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。此外，由于光學前端 的激光雷達系統(tǒng)消耗大量功率，理想情況下，應該可以將TIA放置在 未使用通道時的低功耗模式。圖 3 所示的 TIA 專門設計用于 滿足這些標準。

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 標準，其 FMEDA 結果可用于輔助 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，側面可潤濕側翼，使 它們是汽車激光雷達應用的絕佳選擇。

選擇比較器

雖然很明顯，LIDAR應用中使用的比較器應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 由輸入信號過驅動電壓和/或壓擺率變化引起的傳播延遲變化，應 也盡可能低。例如，色散系數為1.6ns的典型比較器將考慮 如果在激光雷達應用中使用，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，過驅色散系數低至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?；パa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的色散與過驅動電壓的關系

對于汽車應用，MAX40026采用符合AEC-Q100標準的2mm x 2mm 8引腳TDFN封裝。 側面可潤濕封裝。對于工業(yè)或其它應用，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

激光雷達技術目前用于許多汽車ADAS系統(tǒng)，并將在 自動駕駛汽車的未來發(fā)展。雖然對光學器件的操作給予了很多關注 在前端，我們已經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)和其他飛行時間應用的精度水平，同時滿足嚴格的安全標準。

審核編輯：郭婷