如果您正在設(shè)計(jì)自動(dòng)駕駛汽車(chē)應(yīng)用，您就會(huì)知道 LiDAR（光檢測(cè)和測(cè)距）的重要性。LiDAR 是一種執(zhí)行自動(dòng)駕駛汽車(chē)距離感應(yīng)的關(guān)鍵光學(xué)技術(shù)，是高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng) （ADAS） 的重要組成部分，也是自動(dòng)駕駛汽車(chē)的重要組成部分。其性能取決于光前端，以及信號(hào)如何通過(guò)信號(hào)鏈傳輸然后進(jìn)行處理。該信號(hào)鏈中的一個(gè)重要組件是跨阻放大器 （TIA）。在這篇博文中，我將概述LiDAR的工作原理，并討論在有效的 TIA 中尋找什么。

在激光雷達(dá)應(yīng)用中，激光納秒脈沖突發(fā)從光源發(fā)出并從視野中的物體反射。檢測(cè)到反射光，飛行時(shí)間 （ToF） 會(huì)創(chuàng)建視圖中對(duì)象的距離圖（圖 1）。

圖 1. 汽車(chē)激光/接收器系統(tǒng) （A） 的視圖以餅形角度捕獲物品。ToF 數(shù)據(jù)測(cè)量 （B） 物體與激光/接收器系統(tǒng)的距離。

在圖 1 中，來(lái)自汽車(chē)激光器 （A） 的納秒脈沖信號(hào)突發(fā)將光線發(fā)送到視圖中的目標(biāo)區(qū)域。一旦激光信號(hào)爆發(fā)擊中物體，光線就會(huì)返回汽車(chē)。車(chē)輛中的電子設(shè)備使用 ToF 數(shù)據(jù)標(biāo)記捕獲返回的信號(hào)。ToF 的度量是返回到激光/接收器系統(tǒng)位置的往返時(shí)間。為了收集完整的 ToF 數(shù)據(jù)，激光/接收器系統(tǒng)跨越視圖。

ToF 數(shù)據(jù)創(chuàng)建距離圖 （B），提供物體與激光/接收器系統(tǒng)的距離。在圖 1.B 中，較小的距離數(shù)據(jù)值表示較近的項(xiàng)目，較大的距離數(shù)據(jù)值表示較遠(yuǎn)的項(xiàng)目。根據(jù)激光/接收器 ToF 數(shù)據(jù) （B），紅色人物（女性）是最近的，其次是黃色物體（樹(shù)），最后是遠(yuǎn)處的綠色物體（城市公交車(chē)）。視圖中的區(qū)域不斷地來(lái)回掃描，以獲得完整和持續(xù)的覆蓋。

了解激光/接收器系統(tǒng)電子設(shè)備

激光/接收器系統(tǒng)由多個(gè)光電二極管、一個(gè)激光二極管和支持電子設(shè)備組成，用于傳輸和接收光信號(hào)（圖 2）。

圖 2. 激光/接收器系統(tǒng)通過(guò)視圖傳輸光，以通過(guò)激光反射找到物體。

在圖 2 中，激光驅(qū)動(dòng)器向物體發(fā)起激光脈沖傳輸，并通過(guò) D 2、TIA2 和 COMP2 向微控制器 （MCU） 反饋一幀時(shí)間參考信號(hào)。激光傳播到玻璃板，玻璃板將激光信號(hào)反射到 MCU 并通過(guò)發(fā)射器光學(xué)元件（指定的透鏡）。

發(fā)射的脈沖到達(dá)物體并反射到激光/接收器系統(tǒng)。一旦通過(guò)接收器光學(xué)器件和鏡面反射，光線就會(huì)照射在 InGaAs 光電二極管 （D 1 ） 上。InGaAs光電二極管是一種高靈敏度半導(dǎo)體電子器件，其光靈敏度帶寬為1310nm至1550nm。

D 1上的光線可能很亮，也可能很暗，具體取決于行進(jìn)的距離。此外，大氣中可能存在污染物，并且為了混淆系統(tǒng)，可能存在干擾幻象燈。D 1將光轉(zhuǎn)換為電流 （I D1 ），電流流向跨阻放大器#1 （TIA1） 和比較器#1 （COMP1）。

光電二極管所見(jiàn)背后的大腦

TIA1 和 COMP1 是光電二極管所見(jiàn)的大腦。TIA1 的頻率帶寬保持了返回脈沖上升和下降時(shí)間的完整性，并允許采集更多像素。TIA1 還可以安全地承受大的瞬態(tài)輸入過(guò)載電流并迅速恢復(fù)。

低本底噪聲捕捉對(duì)象的細(xì)節(jié)，為后面的比較器產(chǎn)生準(zhǔn)確的輸出。動(dòng)態(tài)范圍的進(jìn)一步增強(qiáng)包括可編程增益功能。此外，由于 LiDAR 系統(tǒng)的光學(xué)前端消耗大量功率，因此將 TIA1 和 TIA2 置于低功率模式可能是有利的。圖 3中的 TIA 設(shè)計(jì)專門(mén)應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。

圖 3. 用于汽車(chē) LiDAR 系統(tǒng)的 MAX40660/MAX40661 跨阻放大器。

MAX40661和MAX40660 _跨阻放大器分別提供 160MHz 和 490MHz 的高帶寬。這些器件通過(guò)放大高速納秒輸入電流脈沖來(lái)提供高分辨率。2.1pA√Hz 的噪聲密度可提供更高的系統(tǒng)精度和更長(zhǎng)距離的操作。動(dòng)態(tài)范圍調(diào)整使用 25kΩ 和 50kΩ 兩個(gè)引腳可選跨阻值，無(wú)需額外的放大級(jí)來(lái)匹配具有不同寄生電容的不同光電二極管。這些器件可在 10ns 內(nèi)穩(wěn)健地承受高達(dá) 2A 的輸入電流，并具有 2ns 的快速過(guò)載電流恢復(fù)時(shí)間。不使用時(shí)，低功耗模式僅消耗 26mW 的功率。這些 IC 符合 AEC-Q100 標(biāo)準(zhǔn)，它們的 FMEDA 結(jié)果可用于輔助系統(tǒng)級(jí)別的 ASIL 合規(guī)性計(jì)算。它們有 3mm x 3mm、

這些電路中的比較器 COMP1 和 COMP2 將 TIA 的模擬輸出更改為干凈的數(shù)字信號(hào)（圖 4）。

圖 4. 用于汽車(chē) LiDAR 系統(tǒng)的 MAX40025/MAX40026 跨阻放大器。

MAX40025封裝采用1.218mm x 0.818mm、6 凸點(diǎn)晶圓級(jí)封裝 （WLP），而MAX40026采用 2mm x 2mm 8 引腳 TDFN 側(cè)面可濕性封裝，符合 AEC-Q100 汽車(chē)認(rèn)證要求。

概括

自動(dòng)駕駛汽車(chē)的商業(yè)化代表著一段激動(dòng)人心的旅程，ADAS 中的 LiDAR 技術(shù)有望成為自動(dòng)駕駛汽車(chē)未來(lái)的重要參與者。通過(guò)關(guān)注光學(xué)前端的操作，本博客研究了接收器信號(hào)鏈的電子元件如何在系統(tǒng)性能中發(fā)揮重要作用。此處重點(diǎn)介紹的 LiDAR 就緒 TIA 和比較器提供了 LiDAR 應(yīng)用所需的前所未有的系統(tǒng)精度水平。

審核編輯：郭婷