如果您正在設計自動駕駛汽車應用，您就會知道 LiDAR（光檢測和測距）的重要性。LiDAR 是一種執行自動駕駛汽車距離感應的關鍵光學技術，是高級駕駛輔助系統 （ADAS） 的重要組成部分，也是自動駕駛汽車的重要組成部分。其性能取決于光前端，以及信號如何通過信號鏈傳輸然后進行處理。該信號鏈中的一個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。

在激光雷達應用中，激光納秒脈沖突發從光源發出并從視野中的物體反射。檢測到反射光，飛行時間 （ToF） 會創建視圖中對象的距離圖（圖 1）。

圖 1. 汽車激光/接收器系統 （A） 的視圖以餅形角度捕獲物品。ToF 數據測量 （B） 物體與激光/接收器系統的距離。

在圖 1 中，來自汽車激光器 （A） 的納秒脈沖信號突發將光線發送到視圖中的目標區域。一旦激光信號爆發擊中物體，光線就會返回汽車。車輛中的電子設備使用 ToF 數據標記捕獲返回的信號。ToF 的度量是返回到激光/接收器系統位置的往返時間。為了收集完整的 ToF 數據，激光/接收器系統跨越視圖。

ToF 數據創建距離圖 （B），提供物體與激光/接收器系統的距離。在圖 1.B 中，較小的距離數據值表示較近的項目，較大的距離數據值表示較遠的項目。根據激光/接收器 ToF 數據 （B），紅色人物（女性）是最近的，其次是黃色物體（樹），最后是遠處的綠色物體（城市公交車）。視圖中的區域不斷地來回掃描，以獲得完整和持續的覆蓋。

了解激光/接收器系統電子設備

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

圖 2. 激光/接收器系統通過視圖傳輸光，以通過激光反射找到物體。

在圖 2 中，激光驅動器向物體發起激光脈沖傳輸，并通過 D 2、TIA2 和 COMP2 向微控制器 （MCU） 反饋一幀時間參考信號。激光傳播到玻璃板，玻璃板將激光信號反射到 MCU 并通過發射器光學元件（指定的透鏡）。

發射的脈沖到達物體并反射到激光/接收器系統。一旦通過接收器光學器件和鏡面反射，光線就會照射在 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，具體取決于行進的距離。此外，大氣中可能存在污染物，并且為了混淆系統，可能存在干擾幻象燈。D 1將光轉換為電流 （I D1 ），電流流向跨阻放大器#1 （TIA1） 和比較器#1 （COMP1）。

光電二極管所見背后的大腦

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

低本底噪聲捕捉對象的細節，為后面的比較器產生準確的輸出。動態范圍的進一步增強包括可編程增益功能。此外，由于 LiDAR 系統的光學前端消耗大量功率，因此將 TIA1 和 TIA2 置于低功率模式可能是有利的。圖 3中的 TIA 設計專門應對這些挑戰。

圖 3. 用于汽車 LiDAR 系統的 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。這些器件通過放大高速納秒輸入電流脈沖來提供高分辨率。2.1pA√Hz 的噪聲密度可提供更高的系統精度和更長距離的操作。動態范圍調整使用 25kΩ 和 50kΩ 兩個引腳可選跨阻值，無需額外的放大級來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 內穩健地承受高達 2A 的輸入電流，并具有 2ns 的快速過載電流恢復時間。不使用時，低功耗模式僅消耗 26mW 的功率。這些 IC 符合 AEC-Q100 標準，它們的 FMEDA 結果可用于輔助系統級別的 ASIL 合規性計算。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字信號（圖 4）。

圖 4. 用于汽車 LiDAR 系統的 MAX40025/MAX40026 跨阻放大器。

MAX40025封裝采用1.218mm x 0.818mm、6 凸點晶圓級封裝 （WLP），而MAX40026采用 2mm x 2mm 8 引腳 TDFN 側面可濕性封裝，符合 AEC-Q100 汽車認證要求。

概括

自動駕駛汽車的商業化代表著一段激動人心的旅程，ADAS 中的 LiDAR 技術有望成為自動駕駛汽車未來的重要參與者。通過關注光學前端的操作，本博客研究了接收器信號鏈的電子元件如何在系統性能中發揮重要作用。此處重點介紹的 LiDAR 就緒 TIA 和比較器提供了 LiDAR 應用所需的前所未有的系統精度水平。

審核編輯：郭婷