为什么跨阻放大器和比较器是LIDAR接收信号链中的关键元件

在此设计解决方案中，我们解释了为什么跨阻放大器（TIA）和比较器是LIDAR接收信号链中的关键元件，并展示了新的TIA和比较器IC如何提高使用LIDAR技术的ADAS系统的精度。

虽然正在进行大量的研究和开发以改进光学前端，但 激光雷达系统产生的环境图像同样取决于后端的性能 接收器电子设备。接收信号链中的两个关键元件是跨阻放大器 （TIA）和比较器。在此设计解决方案中，我们回顾了这些组件的关键功能要求 在介绍旨在为未来激光雷达带来无与伦比的精度水平的新型 TIA 和比较器 IC 之前 系统。

激光雷达的工作原理

LIDAR系统的简化框图如图2所示。从多维激光传输的光 光束从入射物体反射回来，并使用光电探测器（或雪崩光电二极管）进行检测。这 检波器的输出电流使用TIA转换为差分电压信号，然后由比较器组成 用于指示已成功检测到反射信号（通过超过预设阈值）。因为 光速是恒定的，发射和接收光信号之间的延迟（飞行时间）可以是 由MCU测量和计算（有时在专用信号处理IC的帮助下）。

图2.激光雷达系统框图。

选择 TIA

TIA在接收器信号链中的性能对整个系统运行至关重要。检测障碍物 （固定或移动），它需要足够宽的带宽来捕获各种不同路况下的所有细节。 更高的带宽允许采集更多的像素，有助于实现更好的距离分辨率。TIA 应该 具有尽可能低的噪声，以免扭曲正在传输的信号并避免误解 更长的距离。可选增益允许增加输入电流的动态范围（可能消除 需要在信号链的后期进行另一个放大级）。IC还应具有安全的能力 承受较大的瞬态输入过载电流并从中快速恢复。此外，由于光学前端 的激光雷达系统消耗大量功率，理想情况下，应该可以将TIA放置在 未使用通道时的低功耗模式。图 3 所示的 TIA 专门设计用于 满足这些标准。

图3.MAX40660/MAX40661跨阻放大器，用于汽车激光雷达。

具有160MHz （MAX40661）和490MHz （MAX40660）的带宽选项，它们只能放大输入电流脉冲 持续时间为几纳秒，提供更高的分辨率。2.1pA√Hz 的噪声系数允许系统运行 在更长的距离上。动态范围可通过两个引脚可选的 25kΩ 跨阻值进行调整 和50kΩ，可能无需后续放大级。这些部件足够坚固，可以 可承受高达 2A 的输入电流，持续 10 ns，并具有仅 2ns 的快速过载电流恢复时间 （高达 100mA）。不使用时，它们可以置于低功耗模式，仅消耗26mW的功率。这些 IC 符合 AEC-Q100 标准，其 FMEDA 结果可用于辅助 ASIL 合规性计算 系统级别。它们采用 3mm x 3mm 10 引脚 TDFN 封装，侧面可润湿侧翼，使 它们是汽车激光雷达应用的绝佳选择。

选择比较器

虽然很明显，LIDAR应用中使用的比较器应该具有尽可能小的传播延迟， 它的分散度可能并不那么明显，它同样重要。比较器的色散为 由输入信号过驱动电压和/或压摆率变化引起的传播延迟变化，应 也尽可能低。例如，色散系数为1.6ns的典型比较器将考虑 如果在激光雷达应用中使用，测量误差为 24 厘米。由于这些原因，图4所示的比较器是最佳选择。

图4.280ps高速比较器，具有超低色散和LVDS输出。

传播延迟仅为280ps，过驱色散系数低至10ps（对于V外径= 20mV 至 100mV）， 如图5所示，它考虑了0.15cm的测量误差。低压差分信号 （LVDS） 提供的输出有助于最大限度地降低功耗（采用 2.7V 电源时为 39.4mW），同时还允许 与许多 FPGA 和 CPU 接口。互补输出有助于抑制每个输出上的共模噪声 线路（典型值为 80dB）。

图5.MAX40026的色散与过驱动电压的关系

对于汽车应用，MAX40026采用符合AEC-Q100标准的2mm x 2mm 8引脚TDFN封装。 侧面可润湿封装。对于工业或其它应用，MAX40025A提供1.218mm x 0.818mm、 6 焊球晶圆级封装 （WLP）。MAX40025C是该器件的变体，无输入迟滞。 如表1所示。

表 1.MAX4002X型号摘要

 

	MAX40025A	MAX40025C	MAX40026
迟滞 （mV）	2.5	没有	1.5
包	刘-	刘-	东风网

 

总结

激光雷达技术目前用于许多汽车ADAS系统，并将在 自动驾驶汽车的未来发展。虽然对光学器件的操作给予了很多关注 在前端，我们已经展示了接收器信号链中的电子元件对整个系统的重要性 性能。在这个设计解决方案中，我们展示了TIA和比较器IC，它们可以提供前所未有的 激光雷达系统和其他飞行时间应用的精度水平，同时满足严格的安全标准。

审核编辑：郭婷