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激光雷達 (LiDAR) 與汽車設計領域有著最廣泛的聯系，那里的夢想家相信它可以幫助實現未來無人駕駛。具體從原理上來說，數字控制光學信號從三維掃描儀器中發射出去，并由儀器進行反射信號檢測，以分析環境并協助開發日益先進的輔助駕駛系統 (ADAS)。LiDAR 應用廣泛，對于汽車應用來說，LiDAR 是其實現日益直觀的 ADAS 和最終完全自動駕駛能力的關鍵因素。隨著技術提升，圍繞 LiDAR 的支持器件的要求持續變得更加嚴格。本文所討論的，基于 MAX40660 高帶寬 TIA 和 MAX40025 280 ps 高速比較器的 LiDAR 信號接收電路可以構成堅實的汽車 LiDAR 前端基礎。
圖 1：汽車 LiDAR 傳感器是 ADAS 的關鍵部件，盡管它們已經從最初的咖啡罐得到了極大的提升。（圖片來源：Research Gate）
早期的開發者認為，360 度的畫面才是王道，但這種方案有點貴，使其無法全面商用。現在看來，汽車應用只需要在前進方向、需要時在后面方向以及偶爾在左右兩邊進行地圖定位的能力，這為更經濟的設計打開了大門。
但我想說的是另一個問題。僅僅關注汽車系統對 LiDAR 的潛力是不公平的，所以讓我們從 LiDAR 的整體角度出發，從了解其工作原理開始。
跨阻放大器主導著 LiDAR 的核心
LiDAR 的關鍵是測量光學信號的飛行時間 (ToF)，即從信號發射到它從物體上反射回來的時間。該技術通過一串從激光驅動器發送到激光二極管的數字信號來實現，效果非常好。LiDAR 系統尋找的是信號邊緣而不是信號頻率（圖 2）。這種檢測方法依賴于一個好的跨阻放大器 (TIA)。
圖 2：激光二極管發出數字光脈沖，TIA 捕捉到返回的脈沖。（圖片來源：Analog Devices Inc./Maxim Integrated）
在圖 2 中，LiDAR 信號接收電路包括一個 Analog Devices/Maxim Integrated MAX40660 高帶寬 TIA 和一個 Analog Devices Inc./Maxim Integrated MAX40025 280 皮秒 (ps) 高速比較器 (COMP)，具有超低消散。
MAX40660 構成了光距離測量鏈的接收器環節。它是為汽車 LiDAR 設計的，因此除了低噪聲、高增益和低群延遲外，還具有從過載中快速輸出恢復、輸入電流鉗位能力，以及 2.1 皮安培 (pA) 的輸入參考噪聲密度。它具有可通過引腳選擇的 25 千歐 (kΩ) 和 50 kΩ 的跨阻，以及 490 兆赫 (MHz)（典型值）的寬帶寬，輸入電容為 0.5 皮法拉 (pF)。
該光學檢測系統的前端基本上是一個光電探測器，依靠精心的設計選擇和最佳實踐的實現來有效地捕捉光學信號。這就形成一個具有獨特帶寬和噪聲規格的 TIA，從而實現固定或移動物體的檢測。MAX40660 TIA 的寬帶寬可捕捉不同的物理條件細節，其低噪聲特性降低了失真程度。
MAX40025 高速 COMP 則充當一個單比特的模數轉換器 (ADC)。25 皮秒 (ps) 下的過驅消散極低，使得該比較器成為 ToF 距離測量應用的理想選擇。使用 MAX40025 時，TIA 光信號可在比較器典型的 280ps 傳播延遲下轉換為干凈的 "1" 或 "0"。
根據行進的距離，照射在 D1 上的光線可能是明亮的或暗淡的。此外，大氣中可能有污染物，且會進一步混淆系統，因此可能有干擾的幻影光。
為了抵消這些影響，在現實世界中 LiDAR 系統需要運用多個學科技術才能實現有效使用。汽車應用需要融合 LiDAR、雷達和攝像傳感器系統。用無人機和 GPS 進行測繪，為研究人員和工程師提供三維圖像細節，從而為建筑項目奠定基礎。水深測量或海底 LiDAR 測繪則可確定水下結構的位置。這些應用，以及其他許多應用，都有自己的 LiDAR 建構要求。
LiDAR 和電磁波譜
在圖 2 中光學系統的前端，在進行信號計時時，光電二極管 D2 用于感應發出的光，而 D1 則感應返回的光。這種電磁光信號可以跨越紫外線到紅外線（圖 3）。
圖 3：電磁波譜是電磁輻射的范圍，其中只有極小部分是在可見范圍內。（圖片來源：Cosmos）
大多數 LiDAR 系統使用紅外激光系統，其 D1 和 D2 使用雪崩銦鎵砷硅二極管，其光學波長為 1310 納米 (nm) 至 1550 nm。當然，也有使用可見光信號的 LiDAR 系統。
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