高速ADC关系到激光雷达测距精度

电子发烧友网报道（文/梁浩斌）通常来说，激光雷达的几个重要指标包括测距距离/精度、视场角、分辨率以及帧率等。而这些指标，很大程度上取决于激光雷达所选用的相关元器件。比如测距距离，主要取决于激光器的功率密度；分辨率取决于接受接收模块的性能。

高速ADC关系到激光雷达测距精度

而对于自动驾驶激光雷达而言，测距距离足够远、测距精度足够高，是保证自动驾驶系统及时作出判断的前置条件。前面也提到测距距离取决于激光器的功率，而测距精度，则取决于ADC的采样频率。

目前主流的激光雷达都采用ToF的测距方式，ToF也就是飞行时间（Time of Flight），通过直接测量发射激光和回波信号的时间差计算出距离信息。激光器先发射出经过编码的激光，激光到达被测物体后，接收器再接收被测物体反射回来的激光，由于光速基本固定，所以可以计算从发出激光到接收到激光的时间差，利用s=v/t计算出这段时间内光传播的距离，再除以2得出被测物体与激光雷达之间的距离。

在激光雷达中，接收器接收到的信号，需要通过模拟前端进行放大以及通道选通，再由ADC将模拟信号转换成数字信号。因此，ToF测距激光雷达的测距精度，就直接取决于ADC的采样频率。

以采样速率为1GSPS（Gigabit Samples Per Second，即每秒千兆次采样）的ADC为例，它的时钟周期为1ns。已知光速C一般取值为300000km/s，所以在采样速率1GSPS的ADC中，每个时钟周期，也就是每1ns的采样周期里光传播距离为30cm。因此，考虑到计算距离需要将这段时间内光传播的距离除以2，那么也就是说采样速率为1GSPS时可以达到正负15cm的精度。

根据techinsights对Velodyne的VLP-16激光雷达的拆解，BOM成本大约为830-990美元，其中由于是机械旋转结构，16线需要有16组激光器和接收器，成本占大头；而其他主要元件里，Altera的FPGA和TI的高速ADC08500占比较高，分别为14美元和30美元。从TI官网可以查到，ADC08500是一颗8bits、500MSPS采样率的高速ADC，当然Velodyn这款激光雷达也是相对较早期的产品了。

目前市场上激光雷达应用中，比较常见采用的是TI的ADC08D1000，这是一颗8bits、支持双路1GSPS或单路2GSPS的高速ADC，兼顾低功耗和高性能。

而激光雷达的另一种测距方式，FMCW（调频连续波）通过将发射激光的光频进行线性调制，将回波信号与参考光进行相干得到频率差，从而获得飞行时间反推目标物体距离。FMCW激光雷达具有可直接测量速度信息以及抗环境光和其他激光雷达干扰等优势，但由于采用多通道并行处理，数据量大，对高速ADC转换速率（最大采样速率）的要求是ToF系统的2-4倍。

美半导体三巨头份额超95%，国产厂商进展如何？

但目前高速ADC/DAC市场几乎被TI、ADI、Maxim三家公司所垄断，占国内市场超过95%份额。同时，在美国的出口管制清单中，也包含了一些高分辨率、高速ADC产品，比如采样速率400MSPS以上的12-14bits ADC。

所以在近些年很多国产厂商也看到了该领域国产替代的需求，开始入局高速ADC市场，而目前来看已经有不少公司推出了技术指标能够对标海外大厂的产品。比如苏州迅芯微电子，公司专注高端信号链模拟芯片，高速ADC采样速率有2GSPS、10GSPS，最高甚至达到30GSPS，精度在6bits-8bits之间。

航天电子技术股份有限公司的全资子公司时代民芯也推出了两款高速ADC，包括MXT2001，具有双通道、低功耗、高性能的特性，采样精度为8bits，单通道采样率高达1.3GSPS；MXT2002则是航天应用的高速ADC，在MXT2001基础上增加了抗辐照特性，单通道采样率略低，为800MSPS。

而面向激光雷达的需求，也有一些国内厂商推出了相关产品。CBM08AD1500QP是芯佰微推出的一款双通道8位超高速ADC，最大转换速率达到1.5GSPS，具有采样率高、功耗低、线性误差小、增益和失调自动校正和3－线接口控制等特点。通过3－线接口可对内部电路的增益、失调和通道间的时钟匹配进行校正，模拟输入为差分输入，即可交流耦合也可直流耦合；时钟输入电路内部设有直流偏置，必须交流耦合输入。

成立于2018年的灵矽微，在2020年成功流片了8bit、1GSPS采样速率的高速、低功耗ADC，并宣布已经获得激光雷达客户百万元订单。灵矽微表示这款ADC是国内唯一正向设计的1GSPS 8bit ADC产品，速度精度一致的情况下，与ADI、TI同类产品相比，功耗降低70%，高温适用范围提高20℃，完美适应激光雷达以及示波器客户的需求。

在8月初，芯炽科技展示了其一款型号为SC10D9501的低功耗高性能ADC，分辨率10bit的同时，双通道采样率也高达1.5GSPS，单通道更是可以实现3GSPS采样率（DES模式）。该芯片单路1.9V电源在1.5GSPS的非多路复用模式下典型功耗为2.19瓦，芯炽科技表示与国外同类型产品相比，SC10D9501面积降低70%，功耗降低50%，高低温性能优越。

小结

作为模拟芯片中的重要一环，要做好ADC并不容易。除了本身在工艺、设计上需要有多年的技术迭代积累，如何在市场上与早已成熟的海外大厂产品进行竞争，这需要国内模拟芯片厂商紧贴市场需求，坚持正向研发。而国内激光雷达厂商的崛起，是否也会带动国内高速ADC产品的加速突破，也值得期待。　　

      审核编辑：彭静