如何有效地設(shè)計和優(yōu)化激光雷達系統(tǒng)的TIA接口

作者：Noe Quintero and Tony Pirc

在本文中，我們將討論跨阻放大器（TIA）的各種輸入耦合選項的影響，并闡明容易被忽視的后果。 對于每種情況。目的是幫助工程師有效地設(shè)計和優(yōu)化 激光雷達系統(tǒng)的 TIA 接口。我們將在以下情況下重點介紹設(shè)計挑戰(zhàn) 將高增益光學(xué)檢波器耦合到 TIA 輸入。

激光雷達輸入不是一個微不足道的話題，而且會有很多活動部件 這個過程。信號鏈將根據(jù)哪種設(shè)計而有所不同 您選擇的，因此在選擇 最適合您的項目。

激光雷達與你

飛行時間 LIDAR 接收器信號鏈具有一系列設(shè)計權(quán)衡， 可能會影響成像系統(tǒng)的性能。TIA與其探測器之間的接口是這一挑戰(zhàn)的一部分。這尤其 對于具有多通道開關(guān)的跨阻放大器，情況為真。

激光雷達接收器構(gòu)建模塊

飛行時間激光雷達系統(tǒng)由發(fā)射信號鏈和 接收信號鏈。發(fā)射部分以 對象，接收部分測量該脈沖的振幅和性質(zhì)。 光從透射到檢測所需的時間告訴您光傳播了多遠。在最基本的層面上， 接收信號鏈由光電探測器、TIA 和模數(shù)轉(zhuǎn)換器組成 轉(zhuǎn)換器（ADC），如圖1所示。對于多通道應(yīng)用，多路復(fù)用器 用于減少 ADC 的數(shù)量。當(dāng)光子撞擊光電探測器時，它 產(chǎn)生電流，由 TIA 轉(zhuǎn)換為電壓。然后這個電壓是 由ADC量化為數(shù)字值。量化器的另一個流行選擇是 比較器和時間位數(shù)轉(zhuǎn)換器（TDC），如圖2所示。這些貿(mào)發(fā)局 系統(tǒng)的成本和功耗降低了一個數(shù)量級，同時權(quán)衡成本更低 系統(tǒng)性能。此外，TDC 通常不使用多路復(fù)用器 但可以實現(xiàn)以減少TDC和比較器的數(shù)量。

圖1.由ADC量化的激光雷達接收器信號鏈。

圖2.由TDC量化的激光雷達接收器信號鏈。

有三種主要類型的探測器。光電二極管是檢測器 將光子轉(zhuǎn)換為電子，但它們不提供光學(xué)增益，也不受歡迎 這些應(yīng)用的選擇。激光雷達系統(tǒng)中流行的探測器是雪崩 光電二極管。APD是反向偏置直至擊穿的光電二極管 的結(jié)點，有利于獲得光增益。第三種類型的探測器是單光子雪崩二極管（SPAD）。SPAD反向偏置，具有 擊穿電壓與第二個更高電壓之間的過偏置電壓 與SPAD保護環(huán)相關(guān)的擊穿電壓。在這種偏差下，單次充電 注入耗盡層的載流子可以觸發(fā)自我維持的雪崩， 導(dǎo)致探測器處有數(shù)千個虛擬增益。似乎SPAD是 由于它們的敏感性，將是自然的選擇。然而，激光雷達系統(tǒng) 必須應(yīng)對許多現(xiàn)實世界的后果，太多的收益將飽和 接收鏈太容易了。此外，額外的增益伴隨著額外的噪聲，稱為 噪聲因數(shù)過高。ENF與偏差呈指數(shù)相關(guān)，并且 增益過大會使檢波器的信噪比（SNR）變差。幸 APD是一種快樂的媒介，為這個空間提供了足夠的光增益，但不是太。 很多易恩孚會對信噪比產(chǎn)生負面影響。

當(dāng)光子撞擊APD時，在結(jié)處產(chǎn)生電子空穴對。 APD的高電場就像彈弓一樣加速電子 敲掉更多的電子。這增加了釋放的電子數(shù)量 每個接收到的光子。這種效應(yīng)稱為雪崩效應(yīng)，它增加了一個 乘法因子（M 因子）。這種增益依賴于偏差，可以讓我們 看到較弱的信號，因為TIA通常是SNR的限制因素 由于其本底噪聲。目標是匹配下一階段的本底噪聲 在信號鏈中。在這種情況下，通過提供足夠的 TIA 本底噪聲來匹配 APD中的增益略微主導(dǎo)信號鏈噪聲，以提供最佳的SNR 系統(tǒng)。這種噪聲匹配概念廣泛應(yīng)用于許多信號鏈 其中傳感器本底噪聲不是限制因素。在實踐中，這種增加 在接收器性能轉(zhuǎn)化為擴展的檢測范圍。另一個 APD的重要優(yōu)點是飽和恢復(fù)速度快。同樣，TIA 是 此限制因素和 LIDAR 特定的 TIA 旨在降低飽和度 避免使激光雷達系統(tǒng)失明。APD 的唯一缺點是它們 相對較高的偏置點（數(shù)百伏）和溫度系數(shù) 與之相關(guān)。

激光雷達對TIA有獨特的要求。低電流噪聲和高帶寬 是所有光學(xué)應(yīng)用的典型應(yīng)用。但是，低功耗是必要的。系統(tǒng)的功率預(yù)算可能會很快受到壓力，因為當(dāng)前的系統(tǒng) 具有 64 個或更多 TIA APD 通道。因此，需要低功耗模式 當(dāng) TIA 未在使用時。此外，這些設(shè)備需要快速喚醒以優(yōu)化其功率預(yù)算。現(xiàn)代激光雷達TIA的另一個要求是鉗位 用于飽和事件以及平衡和權(quán)衡折合輸入噪聲的電路 和帶寬。普通光信號鏈之間的一個主要區(qū)別 而激光雷達就是環(huán)境。在光纖應(yīng)用中，系統(tǒng)是封閉的，并且 非常穩(wěn)定。然而，在激光雷達中，我們有太陽要應(yīng)對，以及其他 激光雷達系統(tǒng)。太陽可能導(dǎo)致直流輸入使接收鏈飽和 線性范圍。這是工程師必須克服的首要挑戰(zhàn)之一 用于設(shè)計這些系統(tǒng)。不幸的是，解決方案并不容易，而且將是 本文已解決。

輸入交流耦合注意事項

讓我們探索一種簡單的方法來阻擋直流信號，以及許多工程師的方法 嘗試實現(xiàn)但收效甚微：連接交流耦合電容器 在 APD 到 TIA 之間。通過放置電容器，我們可以減輕直流效應(yīng)， 但這帶來了一系列新的挑戰(zhàn)。

RC 權(quán)衡

首先，在TIA輸入端增加一個交流耦合電容還需要 將直流路徑連接到檢測器。通過放置電阻器，RB，APD的偏見 可以設(shè)置點，允許您將 TIA 輸入與 C 交流耦合在，如 圖3.你對這個偏置路徑所做的一個犧牲是它創(chuàng)建了一個并行路徑 使 APD 電流流過。此并行路徑將對 APD的增益，因為它的信號將被共享。此 APD 增益的大小 性能下降取決于 TIA 輸入阻抗與 TIA 輸入阻抗之間的比率 為 R 選擇的值B.此外，C在對電路有影響時 輸入受到來自APD的電流的影響，在電容器上產(chǎn)生電壓。 這種效應(yīng)是由于電容器的積分電流特性，其中 電壓是電流隨時間和電容值的函數(shù)。目標是 制作 C在足夠小以盡量減少充電影響，但又足夠大以允許 它（具有足夠低的阻抗）以目標頻率傳遞信號。在 其他詞，如果 C在太大，那么放電需要更長的時間，但如果C在太 小，你會丟失一些信號，因為它上的壓降（或失真 如果脈沖與電容的相對時間尺度較長）。這些中的任何一個 影響將嚴重損害信號鏈。

圖3.RB需要交流耦合 TIA。

尺寸調(diào)整 RB和 C在

讓我們說明如何調(diào)整 C 的大小在太小會損害您的滿量程測量：在 200 MHz，一個33 pF電容看起來像24 Ω，它產(chǎn)生一個分壓器，具有 R在（LIDAR TIA通常為幾百歐姆），占10% 偏離信號的實際值。對信號的10%打擊可以輕松消除硬質(zhì) 為優(yōu)化光學(xué)設(shè)計等其他領(lǐng)域而進行的工程工作。這 這種交流耦合方法消除直流的缺陷在確定尺寸時變得明顯 RB.RB與 TIA 輸入阻抗相比應(yīng)較大，以防止 增益衰減，但足夠小，不會影響飽和恢復(fù)。 選擇 RC 時間常數(shù)的不可能平衡因 檢測器的輸入信號是單極性的。方波性質(zhì) 輸入脈沖在此RC上取平均值，并將消除TIA的動態(tài)范圍。 此外，TIA 可能會向 C 充電在當(dāng)頻道切換或 使用輸出多路復(fù)用。例如，對于 LTC6561，TIA 的輸入 有源通道標稱值為1.5 V。當(dāng)通道處于非活動狀態(tài)時，電壓 輸入降至0.9 V。當(dāng)在兩者之間插入交流耦合電容器時 檢測器和TIA的輸入，電容必須充電回1.5 V，以便 通道再次變?yōu)榛顒訝顟B(tài)。圖4顯示了通道開關(guān)與輸入耦合電容相比的多通道系統(tǒng)性能下降。注意 輸出多路復(fù)用時間（OMUX）受到的影響與通道切換類似 因為它在內(nèi)部以相同的方式禁用輸入。充電時間 將由第一級RT電阻器復(fù)合，該電阻器通常在訂單上 數(shù)十千歐，因為在這種情況下控制回路斷開。一個類似的 在 TIA 中發(fā)生關(guān)斷輸入級以節(jié)省 權(quán)力。輸入還必須充電到其工作點，并且將具有 長時間常數(shù)才能上電。

圖4.由于交流耦合輸入引起的OUX和通道切換時間圖。RB= 12 kΩ。

TIA 飽和注意事項

在這個洞里挖得更深，飽和度恢復(fù)將是最后的釘子 棺材。圖 5 顯示了 C 時的輸出在暴露在高輸入電流下。 10 mA脈沖對交流耦合TIA的影響，其中RB為 2.2 kΩ，C在是 100 pF，清晰顯示高電流后的兩個不同工作區(qū)域 脈沖事件。在 5 ns 的 10 mA 輸入脈沖之后，交流電容器的負載過重 充電，TIA 輸出軌接地。此輸出飽和度 接地是輸入被拉離其標稱1.5 V很遠的癥狀 并且是探測器當(dāng)前星等和持續(xù)時間的函數(shù)。越高 脈沖電流，輸出飽和的時間越長，拉至地。這 第二個操作區(qū)域是恢復(fù)狀態(tài)。此恢復(fù)狀態(tài)時間 常量與 R 相關(guān)B和 C在.

圖5.采用 C 語言的高輸入電流飽和度在= 100 pF， RB= 2.2 kΩ。

圖6a和圖6b顯示了不同條件下的兩種機制 它們提供了更多的視覺見解?？偦謴?fù)時間是 交流耦合輸入TIA的供電軌和恢復(fù)時間?？赡芎苷T人 對 R 使用較小的電阻值B以減少恢復(fù)時間，但請記住 RB也是檢波器的并行路徑，并竊取一些輸入電流—— 這種被盜電流轉(zhuǎn)化為APD總增益的降低。 不幸的是，由于激光雷達有望在現(xiàn)實世界中運行，因此有可能 看到來自其他系統(tǒng)的大光脈沖，并導(dǎo)致數(shù)十微秒 從納秒激光脈沖恢復(fù)飽和。

圖6.（a） 各種R的軌道時間恢復(fù)B值。（b） 恢復(fù)各種R的上升時間恢復(fù)B值。

輸入直流耦合注意事項

直流耦合輸入非常簡單。在高電平上，直流耦合輸入如圖所示 圖7允許TIA從飽和中快速恢復(fù)，并且僅受以下限制 TIA 的飽和恢復(fù)。這種方法的缺點是它將允許 直流從 APD 傳遞到 TIA 輸入。不幸的是，由檢波器引起的環(huán)境光、暗電流和泄漏可能會占用TIA的部分或大部分輸入 線性范圍。這種減小的動態(tài)范圍從根本上減少了接收鏈 信 噪 比。在充足的環(huán)境光下，TIA的動態(tài)范圍將嚴重降至零 動態(tài)范圍，使系統(tǒng)失明。

圖7.直流耦合 TIA 輸入。

減少環(huán)境光最常用的方法通常涉及光學(xué) 濾波，如圖8所示或使用有源電路去除 偏移如圖 9 所示。光學(xué)帶通濾光片可以直接涂覆在 APD 窗口或鏡頭上。在高層次上，光學(xué)帶通濾波器將減少 環(huán)境光的影響。濾光片對來自 內(nèi)部光學(xué)器件，這可能會導(dǎo)致大的、不需要的信號。但是，它是一個 良好的第一道防線。有源直流消除電路向 TIA 輸入注入相反的電流，以抵消輸入直流分量。此方案 需要從 TIA 輸出到其輸入的閉環(huán)，并且需要非常小心 保持 TIA 的噪聲和開關(guān)性能。既然我們在尋找 當(dāng)TIA增益為10k至100k時，環(huán)路穩(wěn)定性也具有挑戰(zhàn)性。電路技術(shù)和 本文將不介紹此體系結(jié)構(gòu)。這里最大的收獲是 一旦電路中的穩(wěn)定性和輸入電容得到緩解，直流消除可提供最佳的飽和恢復(fù)性能。然而，這是在 增加成本和復(fù)雜性的代價。

圖8.光學(xué)帶通濾光片，用于去除大多數(shù)環(huán)境光。

圖9.DC 取消方案。

相互排斥的設(shè)計選擇

在考慮交流與直流耦合或電流時，有許多權(quán)衡 取消激光雷達的 TIA 輸入。多路復(fù)用激光雷達的理想特性 接收模擬前端將是它具有高動態(tài)范圍，恢復(fù) 快速，抑制環(huán)境光，并以無限帶寬消耗很少的功率。現(xiàn)實情況是，其中一些品質(zhì)具有相互排斥的設(shè)計 考慮。

交流耦合與直流耦合

如果選擇交流耦合，則動態(tài)范圍會增加，但代價是 飽和時的恢復(fù)時間。交流耦合適用于以下應(yīng)用 可以容忍 TIA 10 微秒的恢復(fù)時間。如果直流耦合 被選中，恢復(fù)速度要快得多，但代價是部分或全部 動態(tài)范圍因直流效應(yīng)而丟失。直流耦合在需要快速恢復(fù)且對直流效應(yīng)不那么敏感的應(yīng)用中是有意義的 抑制動態(tài)范圍。如果具有集成電流消除功能的直流耦合是 選擇拓撲結(jié)構(gòu)，您的動態(tài)范圍增加，飽和恢復(fù)速度 通道切換速度更快，需要額外的設(shè)計復(fù)雜性。這種拓撲結(jié)構(gòu)是汽車激光雷達的要求，因為需要 快速恢復(fù)和更大的動態(tài)范圍是額外的設(shè)計和成本的合理性。

只需在跨阻輸入端添加一個交流耦合電容 脈沖應(yīng)用中的放大器會損害系統(tǒng)的性能。 但是，可以進行權(quán)衡以實現(xiàn)現(xiàn)實目標，具體取決于您的 需要。并非所有系統(tǒng)都需要最佳恢復(fù)時間（例如，工業(yè) 和儀表系統(tǒng)），交流耦合可以應(yīng)用于這些電路。 在輸入為交流耦合時TIA難以恢復(fù)的情況下， 責(zé)怪 TIA 很方便。然而，即使使用理想的 TIA 型號 零恢復(fù)時間，當(dāng) 增加了交流電容器。在這種情況下，可能有意義的情況是 考慮添加直流耦合或直流耦合直流消除電路。

總結(jié)

激光雷達輸入不是一個微不足道的話題，而且會有很多活動部件 設(shè)計過程。信號鏈將有所不同，具體取決于哪個 您選擇的設(shè)計，因此在選擇之前考慮所有選項很重要 最適合您的項目。

審核編輯：郭婷