如何有效地设计和优化激光雷达系统的TIA接口

作者：Noe Quintero and Tony Pirc

在本文中，我们将讨论跨阻放大器（TIA）的各种输入耦合选项的影响，并阐明容易被忽视的后果。 对于每种情况。目的是帮助工程师有效地设计和优化 激光雷达系统的 TIA 接口。我们将在以下情况下重点介绍设计挑战 将高增益光学检波器耦合到 TIA 输入。

激光雷达输入不是一个微不足道的话题，而且会有很多活动部件 这个过程。信号链将根据哪种设计而有所不同 您选择的，因此在选择 最适合您的项目。

激光雷达与你

飞行时间 LIDAR 接收器信号链具有一系列设计权衡， 可能会影响成像系统的性能。TIA与其探测器之间的接口是这一挑战的一部分。这尤其 对于具有多通道开关的跨阻放大器，情况为真。

激光雷达接收器构建模块

飞行时间激光雷达系统由发射信号链和 接收信号链。发射部分以 对象，接收部分测量该脉冲的振幅和性质。 光从透射到检测所需的时间告诉您光传播了多远。在最基本的层面上， 接收信号链由光电探测器、TIA 和模数转换器组成 转换器（ADC），如图1所示。对于多通道应用，多路复用器 用于减少 ADC 的数量。当光子撞击光电探测器时，它 产生电流，由 TIA 转换为电压。然后这个电压是 由ADC量化为数字值。量化器的另一个流行选择是 比较器和时间位数转换器（TDC），如图2所示。这些贸发局 系统的成本和功耗降低了一个数量级，同时权衡成本更低 系统性能。此外，TDC 通常不使用多路复用器 但可以实现以减少TDC和比较器的数量。

图1.由ADC量化的激光雷达接收器信号链。

图2.由TDC量化的激光雷达接收器信号链。

有三种主要类型的探测器。光电二极管是检测器 将光子转换为电子，但它们不提供光学增益，也不受欢迎 这些应用的选择。激光雷达系统中流行的探测器是雪崩 光电二极管。APD是反向偏置直至击穿的光电二极管 的结点，有利于获得光增益。第三种类型的探测器是单光子雪崩二极管（SPAD）。SPAD反向偏置，具有 击穿电压与第二个更高电压之间的过偏置电压 与SPAD保护环相关的击穿电压。在这种偏差下，单次充电 注入耗尽层的载流子可以触发自我维持的雪崩， 导致探测器处有数千个虚拟增益。似乎SPAD是 由于它们的敏感性，将是自然的选择。然而，激光雷达系统 必须应对许多现实世界的后果，太多的收益将饱和 接收链太容易了。此外，额外的增益伴随着额外的噪声，称为 噪声因数过高。ENF与偏差呈指数相关，并且 增益过大会使检波器的信噪比（SNR）变差。幸 APD是一种快乐的媒介，为这个空间提供了足够的光增益，但不是太。 很多易恩孚会对信噪比产生负面影响。

当光子撞击APD时，在结处产生电子空穴对。 APD的高电场就像弹弓一样加速电子 敲掉更多的电子。这增加了释放的电子数量 每个接收到的光子。这种效应称为雪崩效应，它增加了一个 乘法因子（M 因子）。这种增益依赖于偏差，可以让我们 看到较弱的信号，因为TIA通常是SNR的限制因素 由于其本底噪声。目标是匹配下一阶段的本底噪声 在信号链中。在这种情况下，通过提供足够的 TIA 本底噪声来匹配 APD中的增益略微主导信号链噪声，以提供最佳的SNR 系统。这种噪声匹配概念广泛应用于许多信号链 其中传感器本底噪声不是限制因素。在实践中，这种增加 在接收器性能转化为扩展的检测范围。另一个 APD的重要优点是饱和恢复速度快。同样，TIA 是 此限制因素和 LIDAR 特定的 TIA 旨在降低饱和度 避免使激光雷达系统失明。APD 的唯一缺点是它们 相对较高的偏置点（数百伏）和温度系数 与之相关。

激光雷达对TIA有独特的要求。低电流噪声和高带宽 是所有光学应用的典型应用。但是，低功耗是必要的。系统的功率预算可能会很快受到压力，因为当前的系统 具有 64 个或更多 TIA APD 通道。因此，需要低功耗模式 当 TIA 未在使用时。此外，这些设备需要快速唤醒以优化其功率预算。现代激光雷达TIA的另一个要求是钳位 用于饱和事件以及平衡和权衡折合输入噪声的电路 和带宽。普通光信号链之间的一个主要区别 而激光雷达就是环境。在光纤应用中，系统是封闭的，并且 非常稳定。然而，在激光雷达中，我们有太阳要应对，以及其他 激光雷达系统。太阳可能导致直流输入使接收链饱和 线性范围。这是工程师必须克服的首要挑战之一 用于设计这些系统。不幸的是，解决方案并不容易，而且将是 本文已解决。

输入交流耦合注意事项

让我们探索一种简单的方法来阻挡直流信号，以及许多工程师的方法 尝试实现但收效甚微：连接交流耦合电容器 在 APD 到 TIA 之间。通过放置电容器，我们可以减轻直流效应， 但这带来了一系列新的挑战。

RC 权衡

首先，在TIA输入端增加一个交流耦合电容还需要 将直流路径连接到检测器。通过放置电阻器，RB，APD的偏见 可以设置点，允许您将 TIA 输入与 C 交流耦合在，如 图3.你对这个偏置路径所做的一个牺牲是它创建了一个并行路径 使 APD 电流流过。此并行路径将对 APD的增益，因为它的信号将被共享。此 APD 增益的大小 性能下降取决于 TIA 输入阻抗与 TIA 输入阻抗之间的比率 为 R 选择的值B.此外，C在对电路有影响时 输入受到来自APD的电流的影响，在电容器上产生电压。 这种效应是由于电容器的积分电流特性，其中 电压是电流随时间和电容值的函数。目标是 制作 C在足够小以尽量减少充电影响，但又足够大以允许 它（具有足够低的阻抗）以目标频率传递信号。在 其他词，如果 C在太大，那么放电需要更长的时间，但如果C在太 小，你会丢失一些信号，因为它上的压降（或失真 如果脉冲与电容的相对时间尺度较长）。这些中的任何一个 影响将严重损害信号链。

图3.RB需要交流耦合 TIA。

尺寸调整 RB和 C在

让我们说明如何调整 C 的大小在太小会损害您的满量程测量：在 200 MHz，一个33 pF电容看起来像24 Ω，它产生一个分压器，具有 R在（LIDAR TIA通常为几百欧姆），占10% 偏离信号的实际值。对信号的10%打击可以轻松消除硬质 为优化光学设计等其他领域而进行的工程工作。这 这种交流耦合方法消除直流的缺陷在确定尺寸时变得明显 RB.RB与 TIA 输入阻抗相比应较大，以防止 增益衰减，但足够小，不会影响饱和恢复。 选择 RC 时间常数的不可能平衡因 检测器的输入信号是单极性的。方波性质 输入脉冲在此RC上取平均值，并将消除TIA的动态范围。 此外，TIA 可能会向 C 充电在当频道切换或 使用输出多路复用。例如，对于 LTC6561，TIA 的输入 有源通道标称值为1.5 V。当通道处于非活动状态时，电压 输入降至0.9 V。当在两者之间插入交流耦合电容器时 检测器和TIA的输入，电容必须充电回1.5 V，以便 通道再次变为活动状态。图4显示了通道开关与输入耦合电容相比的多通道系统性能下降。注意 输出多路复用时间（OMUX）受到的影响与通道切换类似 因为它在内部以相同的方式禁用输入。充电时间 将由第一级RT电阻器复合，该电阻器通常在订单上 数十千欧，因为在这种情况下控制回路断开。一个类似的 在 TIA 中发生关断输入级以节省 权力。输入还必须充电到其工作点，并且将具有 长时间常数才能上电。

图4.由于交流耦合输入引起的OUX和通道切换时间图。RB= 12 kΩ。

TIA 饱和注意事项

在这个洞里挖得更深，饱和度恢复将是最后的钉子 棺材。图 5 显示了 C 时的输出在暴露在高输入电流下。 10 mA脉冲对交流耦合TIA的影响，其中RB为 2.2 kΩ，C在是 100 pF，清晰显示高电流后的两个不同工作区域 脉冲事件。在 5 ns 的 10 mA 输入脉冲之后，交流电容器的负载过重 充电，TIA 输出轨接地。此输出饱和度 接地是输入被拉离其标称1.5 V很远的症状 并且是探测器当前星等和持续时间的函数。越高 脉冲电流，输出饱和的时间越长，拉至地。这 第二个操作区域是恢复状态。此恢复状态时间 常量与 R 相关B和 C在.

图5.采用 C 语言的高输入电流饱和度在= 100 pF， RB= 2.2 kΩ。

图6a和图6b显示了不同条件下的两种机制 它们提供了更多的视觉见解。总恢复时间是 交流耦合输入TIA的供电轨和恢复时间。可能很诱人 对 R 使用较小的电阻值B以减少恢复时间，但请记住 RB也是检波器的并行路径，并窃取一些输入电流—— 这种被盗电流转化为APD总增益的降低。 不幸的是，由于激光雷达有望在现实世界中运行，因此有可能 看到来自其他系统的大光脉冲，并导致数十微秒 从纳秒激光脉冲恢复饱和。

图6.（a） 各种R的轨道时间恢复B值。（b） 恢复各种R的上升时间恢复B值。

输入直流耦合注意事项

直流耦合输入非常简单。在高电平上，直流耦合输入如图所示 图7允许TIA从饱和中快速恢复，并且仅受以下限制 TIA 的饱和恢复。这种方法的缺点是它将允许 直流从 APD 传递到 TIA 输入。不幸的是，由检波器引起的环境光、暗电流和泄漏可能会占用TIA的部分或大部分输入 线性范围。这种减小的动态范围从根本上减少了接收链 信 噪 比。在充足的环境光下，TIA的动态范围将严重降至零 动态范围，使系统失明。

图7.直流耦合 TIA 输入。

减少环境光最常用的方法通常涉及光学 滤波，如图8所示或使用有源电路去除 偏移如图 9 所示。光学带通滤光片可以直接涂覆在 APD 窗口或镜头上。在高层次上，光学带通滤波器将减少 环境光的影响。滤光片对来自 内部光学器件，这可能会导致大的、不需要的信号。但是，它是一个 良好的第一道防线。有源直流消除电路向 TIA 输入注入相反的电流，以抵消输入直流分量。此方案 需要从 TIA 输出到其输入的闭环，并且需要非常小心 保持 TIA 的噪声和开关性能。既然我们在寻找 当TIA增益为10k至100k时，环路稳定性也具有挑战性。电路技术和 本文将不介绍此体系结构。这里最大的收获是 一旦电路中的稳定性和输入电容得到缓解，直流消除可提供最佳的饱和恢复性能。然而，这是在 增加成本和复杂性的代价。

图8.光学带通滤光片，用于去除大多数环境光。

图9.DC 取消方案。

相互排斥的设计选择

在考虑交流与直流耦合或电流时，有许多权衡 取消激光雷达的 TIA 输入。多路复用激光雷达的理想特性 接收模拟前端将是它具有高动态范围，恢复 快速，抑制环境光，并以无限带宽消耗很少的功率。现实情况是，其中一些品质具有相互排斥的设计 考虑。

输入耦合	直流	交流	带电流消除功能的直流电
优势	快速饱和恢复	即使在环境光和ADP泄漏的情况下也能实现最大动态范围	即使在环境光和ADP泄漏的情况下也能实现最大动态范围
	快速通道切换		快速饱和恢复
	设计简单		快速通道切换
弊	环境光和ADP泄漏引起的动态范围损失	几个设计注意事项	需要仔细考虑的复杂电路
		饱和度恢复缓慢

交流耦合与直流耦合

如果选择交流耦合，则动态范围会增加，但代价是 饱和时的恢复时间。交流耦合适用于以下应用 可以容忍 TIA 10 微秒的恢复时间。如果直流耦合 被选中，恢复速度要快得多，但代价是部分或全部 动态范围因直流效应而丢失。直流耦合在需要快速恢复且对直流效应不那么敏感的应用中是有意义的 抑制动态范围。如果具有集成电流消除功能的直流耦合是 选择拓扑结构，您的动态范围增加，饱和恢复速度 通道切换速度更快，需要额外的设计复杂性。这种拓扑结构是汽车激光雷达的要求，因为需要 快速恢复和更大的动态范围是额外的设计和成本的合理性。

只需在跨阻输入端添加一个交流耦合电容 脉冲应用中的放大器会损害系统的性能。 但是，可以进行权衡以实现现实目标，具体取决于您的 需要。并非所有系统都需要最佳恢复时间（例如，工业 和仪表系统），交流耦合可以应用于这些电路。 在输入为交流耦合时TIA难以恢复的情况下， 责怪 TIA 很方便。然而，即使使用理想的 TIA 型号 零恢复时间，当 增加了交流电容器。在这种情况下，可能有意义的情况是 考虑添加直流耦合或直流耦合直流消除电路。

总结

激光雷达输入不是一个微不足道的话题，而且会有很多活动部件 设计过程。信号链将有所不同，具体取决于哪个 您选择的设计，因此在选择之前考虑所有选项很重要 最适合您的项目。

审核编辑：郭婷