MAX40660/MAX40661：用于激光雷达的高性能跨阻放大器

在激光雷达（LiDAR）应用的光学距离测量领域，跨阻放大器（TIA）起着至关重要的作用。今天我们要深入探讨的是Analog Devices推出的MAX40660/MAX40661跨阻放大器，它凭借诸多出色特性，成为汽车激光雷达应用的理想之选。

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一、产品概述

MAX40660/MAX40661专为激光雷达应用中的光学距离测量接收器而设计。其具备低噪声、高增益、低群延迟以及快速过载恢复等特性，非常适合距离测量应用。

关键特性

1. 低噪声：以MAX40660为例，其输入参考噪声密度低至2.1pA，能有效减少噪声干扰，提高测量精度。
2. 高带宽：不同电容和跨阻配置下，带宽表现优秀。如MAX40660在输入电容0.5pF、跨阻25kΩ时，典型带宽达490MHz；MAX40661在输入电容10pF时，典型带宽为160MHz。
3. 可选择跨阻：通过引脚可选择25kΩ和50kΩ两种跨阻，满足不同应用需求。
4. 输入电流钳位：内部设有输入钳位电路，可承受高达2A的瞬态输入电流，保护放大器免受大电流冲击。
5. 快速过载恢复：对于高达100mA的输入电流，过载恢复时间仅需2ns，能迅速恢复正常工作。
6. 偏移电流输入：可对输入偏移电流进行可选调整，优化输出电压。
7. 低功耗控制：低功耗/待机控制输入可使电源电流降低80%以上，降低脉冲间的平均电源电流。
8. 汽车级认证：通过AEC - Q100认证，工作温度范围为 - 40°C至 + 125°C，适用于汽车环境。
9. 封装形式：采用3mm x 3mm、10引脚TDFN封装，侧面可焊，此外MAX40660还提供裸片形式。

二、应用领域

1. 光学距离测量：精准测量目标物体与传感器之间的距离。
2. 激光雷达接收器：作为激光雷达系统的重要组成部分，接收并处理光信号。
3. 工业安全系统：用于检测物体的位置和距离，保障工业生产安全。
4. 自动驾驶系统：为自动驾驶车辆提供环境感知所需的距离信息。
5. 汽车应用：满足汽车电子系统对可靠性和性能的严格要求。

三、电气特性与参数

1. 绝对最大额定值

了解这些参数能确保在使用过程中不会对器件造成永久性损坏。

• 电源电压： - 0.3V至 + 3.6V
• 输入电流：不同引脚和条件下有不同限制，如IN引脚在10ns脉冲宽度、0.5%占空比时，最大电流为 - 2A；连续输入电流限制在 - 0.4mA至0mA等。
• 输出电流：OUTP和OUTN引脚连续电流范围为 - 20mA至 + 20mA。
• 电压：OUTN、OUTP引脚电压最大为VCC + 0.3V；GAIN、LP引脚电压范围为 - 0.3V至VCC + 0.3V。
• 温度范围：工作温度范围 - 40°C至 + 125°C，存储温度范围 - 55°C至 + 150°C等。

2. 电气特性表

在特定条件下（如(V{CC}=+2.9V)至 + 3.5V，(V{CL}=V_{CC})等），对电源电流、输入偏置电压、跨阻线性度、过载恢复时间等参数进行了详细规定。例如，在LP > 2.0V（逻辑高）时，电源电流典型值为41mA；LP < 0.8V（逻辑低）时，典型值为8mA。

四、典型工作特性

通过一系列图表展示了该放大器在不同温度、电源电压、输入电流等条件下的性能表现，如电源电流与温度、电源电压的关系，输出共模电压与温度、电源电压的关系等。这些特性曲线有助于工程师在实际应用中更好地了解器件性能，进行合理的设计和优化。

五、引脚配置与说明

1. 引脚配置

MAX40660/MAX40661采用10引脚TDFN封装，各引脚有明确的功能定义。

2. 引脚说明

• VCL：输入电流钳位的电源连接，连接到VCC。
• LP：使能/低功耗输入，逻辑高为正常工作模式，逻辑低为低功耗待机模式。
• IN：信号输入，根据偏置电压不同，连接方式有所差异。
• OFFSET：偏移调整输入，可用于调整有效输入偏移电流。
• GAIN：增益选择输入，连接到GND时增益为25kΩ，连接到VCC时增益为50kΩ。
• GND：电路接地。
• OUTN和OUTP：分别为负50Ω输出和正50Ω输出，输入电流变化会引起输出电压相应变化。
• VCC： + 3.3V电源电压。
• EP：暴露焊盘，必须连接到地。

六、详细工作原理

1. 增益级1

当连接负偏置电压的光电二极管到TIA输入时，信号电流从放大器的求和节点流出并进入光电二极管。输入电流通过内部负载电阻产生电压，该电压作为第二级的输入。内部钳位电路可保护高达2A的10ns脉冲、0.5%占空比的输入电流，且对于高达100mA的输入电流，过载恢复时间约为2ns。

2. 增益级2

第二增益级提供额外增益，并将跨阻放大器的单端输出转换为差分信号。该级设计用于驱动OUT + 和OUT - 之间的100Ω差分负载，为实现最佳电源噪声抑制，输出应采用差分负载端接。

3. OFFSET输入

OFFSET是一个电流输入，其输入电流IOFFSET会影响TIA的输出电压，极性与从IN引脚流入的电流相反，可用于对输出电压进行偏移校正。

4. LP输入

LP输入接受逻辑信号，用于将TIA置于低功耗待机模式，降低电源电流。从低功耗模式返回活动模式的时间约为200ns。

七、应用注意事项

1. 光电二极管选择

MAX40660适用于输入电容为0.25pF至5pF的低电容光电二极管；MAX40661则适用于电容范围为5pF至12pF的光电二极管。选择合适的光电二极管有助于降低输入电容，提高性能。

2. 电源滤波

敏感的光学接收器需要宽带电源去耦，电源旁路应在10kHz至700MHz频率范围内提供VCC和地之间的低阻抗。使用LC电源滤波器和屏蔽隔离放大器与噪声源，并将电源滤波器尽可能靠近放大器放置。

3. 布局考虑

• 输出布局：推荐使用差分微带布局，输出端接应靠近输出引脚，避免不必要的短截线，减少寄生电容对信号的影响。
• 输入走线：连接光电二极管到MAX40660/MAX40661的IN引脚的输入走线应尽可能短，并去除下方的接地层，以减少寄生电容和电感。
• 接地平面：使用低阻抗接地平面的PCB板。
• 旁路电容：在GND和VCC引脚之间尽可能靠近引脚安装一个或多个10nF陶瓷电容，选择低电感和低ESR的旁路电容。
• 输出端接：如果可能，在AC耦合电容后直接在OUTP和OUTN之间连接100Ω端接电阻；若目的地输入不能靠近输出端，使用100Ω微带连接输出引脚和端接电阻。
• 寄生电感：尽量减少布局中的寄生电感。
• 基板材料：推荐使用高性能基板材料，如Rogers材料。

4. 电源斜坡斜率

电源斜坡速率需要大于等于50μs，以确保在电源上电期间核心钳位不会触发，避免额外的电流消耗。

八、典型应用电路

文档中给出了两种典型应用电路，分别为直流耦合APD接收器TIA和交流耦合APD接收器TIA。在这两种电路中，光电二极管将光信号转换为电流信号，输入到MAX40660/MAX40661，经过放大后输出差分信号，可驱动高速ADC或比较器。

九、订购信息

提供了不同型号的订购信息，包括温度范围、引脚封装、输入电容和带宽等参数。如MAX40660ATB + **适用于 - 40°C至 + 125°C温度范围，10引脚TDFN封装，输入电容0.25至5pF，带宽490MHz。同时，对裸片产品也有相关说明。

十、总结

MAX40660/MAX40661跨阻放大器凭借其出色的性能和丰富的特性，为激光雷达及相关应用提供了可靠的解决方案。在实际设计过程中，工程师需要根据具体应用需求，综合考虑电气特性、引脚配置、布局要求等因素，以充分发挥该器件的优势，实现高性能的光学距离测量系统。你在使用类似跨阻放大器时，遇到过哪些挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验。