只要了解 LiDAR 的工作原理就会知道谨慎选择 TIA 和比较器的重要性

来源：Digi-Key

激光雷达 (LiDAR) 与汽车设计领域有着最广泛的联系，那里的梦想家相信它可以帮助实现未来无人驾驶。具体从原理上来说，数字控制光学信号从三维扫描仪器中发射出去，并由仪器进行反射信号检测，以分析环境并协助开发日益先进的辅助驾驶系统 (ADAS)。这些梦想家的想法是正确的，尽管现在的实现方式与经典的“咖啡罐”方法大相径庭（图 1）。


图 1：汽车 LiDAR 传感器是 ADAS 的关键部件，尽管它们已经从最初的咖啡罐得到了极大的提升。（图片来源：Research Gate）

早期的开发者认为，360 度的画面才是王道，但这种方案有点贵，使其无法全面商用。现在看来，汽车应用只需要在前进方向、需要时在后面方向以及偶尔在左右两边进行地图定位的能力，这为更经济的设计打开了大门。

但我想说的是另一个问题。仅仅关注汽车系统对 LiDAR 的潜力是不公平的，所以让我们从 LiDAR 的整体角度出发，从了解其工作原理开始。

跨阻放大器主导着 LiDAR 的核心

LiDAR 的关键是测量光学信号的飞行时间 (ToF)，即从信号发射到它从物体上反射回来的时间。该技术通过一串从激光驱动器发送到激光二极管的数字信号来实现，效果非常好。LiDAR 系统寻找的是信号边缘而不是信号频率（图 2）。这种检测方法依赖于一个好的跨阻放大器 (TIA)。


图 2：激光二极管发出数字光脉冲，TIA 捕捉到返回的脉冲。（图片来源：Analog Devices Inc./Maxim Integrated）

在图 2 中，LiDAR 信号接收电路包括一个 Analog Devices/Maxim Integrated MAX40660 高带宽 TIA 和一个 Analog Devices Inc./Maxim Integrated MAX40025 280 皮秒 (ps) 高速比较器 (COMP)，具有超低消散。

MAX40660 构成了光距离测量链的接收器环节。它是为汽车 LiDAR 设计的，因此除了低噪声、高增益和低群延迟外，还具有从过载中快速输出恢复、输入电流钳位能力，以及 2.1 皮安培 (pA) 的输入参考噪声密度。它具有可通过引脚选择的 25 千欧 (kΩ) 和 50 kΩ 的跨阻，以及 490 兆赫 (MHz)（典型值）的宽带宽，输入电容为 0.5 皮法拉 (pF)。

该光学检测系统的前端基本上是一个光电探测器，依靠精心的设计选择和最佳实践的实现来有效地捕捉光学信号。这就形成一个具有独特带宽和噪声规格的 TIA，从而实现固定或移动物体的检测。MAX40660 TIA 的宽带宽可捕捉不同的物理条件细节，其低噪声特性降低了失真程度。

MAX40025 高速 COMP 则充当一个单比特的模数转换器 (ADC)。25 皮秒 (ps) 下的过驱消散极低，使得该比较器成为 ToF 距离测量应用的理想选择。使用 MAX40025 时，TIA 光信号可在比较器典型的 280ps 传播延迟下转换为干净的 "1" 或 "0"。

根据行进的距离，照射在 D1 上的光线可能是明亮的或暗淡的。此外，大气中可能有污染物，且会进一步混淆系统，因此可能有干扰的幻影光。

为了抵消这些影响，在现实世界中 LiDAR 系统需要运用多个学科技术才能实现有效使用。汽车应用需要融合 LiDAR、雷达和摄像传感器系统。用无人机和 GPS 进行测绘，为研究人员和工程师提供三维图像细节，从而为建筑项目奠定基础。水深测量或海底 LiDAR 测绘则可确定水下结构的位置。这些应用，以及其他许多应用，都有自己的 LiDAR 建构要求。

LiDAR 和电磁波谱

在图 2 中光学系统的前端，在进行信号计时时，光电二极管 D2 用于感应发出的光，而 D1 则感应返回的光。这种电磁光信号可以跨越紫外线到红外线（图 3）。


图 3：电磁波谱是电磁辐射的范围，其中只有极小部分是在可见范围内。（图片来源：Cosmos）

大多数 LiDAR 系统使用红外激光系统，其 D1 和 D2 使用雪崩铟镓砷硅二极管，其光学波长为 1310 纳米 (nm) 至 1550 nm。当然，也有使用可见光信号的 LiDAR 系统。

结语

LiDAR 应用广泛，对于汽车应用来说，LiDAR 是其实现日益直观的 ADAS 和最终完全自动驾驶能力的关键因素。随着技术提升，围绕 LiDAR 的支持器件的要求持续变得更加严格。正如本文所讨论的，基于 MAX40660 高带宽 TIA 和 MAX40025 280 ps 高速比较器的 LiDAR 信号接收电路可以构成坚实的汽车 LiDAR 前端基础。