TI 技術(shù)手冊(cè)

光學(xué)飛行時(shí)間 (ToF) 激光雷達(dá)（光探測(cè)和測(cè)距）系統(tǒng)廣泛用于各種產(chǎn)品，包括測(cè)距儀、速度測(cè)量設(shè)備、勘測(cè)裝備、機(jī)器人、無人機(jī)、3D 測(cè)繪和汽車高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS)。光學(xué) ToF 系統(tǒng)由一個(gè)光發(fā)射器（通常采用激光器）和一個(gè)光接收器組成。系統(tǒng)測(cè)距原理是先向物體發(fā)射光脈沖，然后接收來自該物體的反射光脈沖，根據(jù)光脈沖到該物體的往返時(shí)間，可計(jì)算出發(fā)射器、接收器和物體之間的距離。圖 1-1 為光學(xué) ToF 系統(tǒng)的簡(jiǎn)圖。

光學(xué) ToF 系統(tǒng)的接收路徑主要有兩種架構(gòu)：一種是基于時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器 (TDC) 的系統(tǒng)，另一種是基于模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 的系統(tǒng)，這兩種架構(gòu)均可用于實(shí)現(xiàn)光學(xué) ToF 系統(tǒng)，但各自具有不同的優(yōu)缺點(diǎn)。

基于 TDC 的系統(tǒng)可利用 TDC（如 TI 的 TDC7201器件）提供非常精確的秒表功能，用于測(cè)量啟動(dòng)脈沖和停止脈沖之間的經(jīng)過時(shí)間。圖 1-2 所示為該系統(tǒng)的方框圖。

將低功耗微控制器（如 TI 的 MSP430F5529）與 TDC7201 器件搭配使用，可發(fā)射激光脈沖，并處理從 TDC 收集的 ToF 信息。接收路徑還需要使用一個(gè)跨阻放大器 (TIA)，如 TI 的 OPA858 5.5GHz 運(yùn)算放大器，對(duì)光電二極管發(fā)出的信號(hào)進(jìn)行電流-電壓轉(zhuǎn)換。OPA858 器件具有低偏置電流 CMOS 輸入和 2.5nV/√Hz 的低噪聲，因此非常適合在該應(yīng)用中用作跨阻放大器 (TIA)。根據(jù)系統(tǒng)所用光電二極管的電容，OPA858 可提供超過 250MHz 的閉環(huán)帶寬和 10kΩ 的增益。TIA 還可采用非常小的 2mm × 2mm 8 引腳封裝，適用于空間受限型或多通道設(shè)計(jì)，有助于最大限度地減小所需的布板空間。OPA855 器件是一款 8GHz 雙極輸入放大器，也可用作 TIA，并采用與 OPA858 器件引腳對(duì)引腳兼容的封裝。集成度更高的 TIA（例如 LMH34400）可使具有環(huán)境光消除功能的基于 TDC 的系統(tǒng)更具有優(yōu)勢(shì)。

該系統(tǒng)的接收路徑也使用比較器（如 TI 的 TLV3501 或 TLV3801 器件）來接收 TIA 的輸出，并驅(qū)動(dòng) TDC 的 STOP 輸入。TLV3501 具有僅 1.5ns 的快速上升時(shí)間和僅 4.5ns 的短時(shí)延遲，因此非常適合用作此電路的接收路徑。

當(dāng)需要低成本、低功耗且只需進(jìn)行簡(jiǎn)單的距離測(cè)量時(shí)，推薦采用這種基于 TDC 的架構(gòu)。有關(guān)基于 TDC 的架構(gòu)的更多信息，請(qǐng)參閱 TIDA-060025 參考設(shè)計(jì)以及飛行時(shí)間和激光雷達(dá) - 光學(xué)前端參考設(shè)計(jì) 視頻。

基于 ADC 的 ToF 激光雷達(dá)系統(tǒng)采用高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器（如 TI 的 ADC34J45 14 位 160MSPS ADC），將反射波形轉(zhuǎn)換為可進(jìn)行處理和分析的數(shù)字信號(hào)，然后使用數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP) 或現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列 (FPGA) 處理通過 ADC 接收的波形信息。這些基于 ADC 的系統(tǒng)通?？纱_定物體的距離和其他屬性，如反射率。圖 1-3 所示為基于 ADC 的光學(xué) ToF 系統(tǒng)方框圖。

基于 ADC 系統(tǒng)的接收路徑也需要一個(gè) TIA，用于將光電二極管的電流輸出轉(zhuǎn)換為電壓。該系統(tǒng)使用了 TI 集成了可選增益選項(xiàng)的 OPA857 TIA。該 OPA857 器件具有 5kΩ 或 20kΩ 的跨阻增益選項(xiàng)可選，可實(shí)現(xiàn)靈活的系統(tǒng)設(shè)計(jì)；也可采用 3mm x 3mm、8 引腳封裝和裸片形式 (OPA857-DIE)，從而在光電二極管和 TIA 之間實(shí)現(xiàn)直接的引線鍵合。使用 OPA857-DIE 實(shí)現(xiàn)直接的引線鍵合，可顯著降低光電二極管與 TIA 之間的寄生電容和電感。裸片選項(xiàng)還可縮小設(shè)計(jì)尺寸，使光電二極管和 TIA 之間的連接更高效。

基于 ADC 的系統(tǒng)還使用 THS4541 全差分放大器 (FDA) 來驅(qū)動(dòng) ADC34J45 高速 ADC 的差分輸入端。完成信息數(shù)字化后，會(huì)由 TSW1400 控制器板上的 FPGA 進(jìn)行處理和分析。然后，系統(tǒng)會(huì)確定物體的距離信息，并顯示在基于 PC 的應(yīng)用上。有關(guān)基于 ADC 的架構(gòu)的更多信息，請(qǐng)參閱 TIDA-01187 參考設(shè)計(jì)以及激光雷達(dá)脈沖飛行時(shí)間參考設(shè)計(jì)概述 (TIDA-01187) 視頻。

德州儀器 (TI) 還提供先進(jìn)的單通道 LMH32401 和四通道 LMH32404 器件，這些器件集成了多種適合光學(xué) ToF 接收電路的特性。圖 1-4 所示為 LMH32401 方框圖。

LMH32401 器件是一款增益可編程的單端輸入至差分輸出跨阻放大器，可配置 2kΩ 或 20kΩ 的跨阻增益，并采用集成式單端輸入至差分輸出的放大器，可提供最大 1.5VPP 的輸出擺幅，因此適用于驅(qū)動(dòng)高速 ADC。LMH32401 還具有集成的 100mA 電流鉗位，不僅可提供保護(hù)，還能使放大器在光學(xué)測(cè)距系統(tǒng)內(nèi)迅速?gòu)倪^載輸入條件下恢復(fù)正常。此外，放大器還具有集成的環(huán)境光消除電路，其差分輸出失調(diào)電壓 (VOD) 輸出針腳可用于設(shè)置其 OUT+ 和 OUT– 引腳之間的差分輸出，這一點(diǎn)非常實(shí)用，因?yàn)樗芨笙薅忍岣吖鈱W(xué)前端 ADC（例如 1.6GSPS ADC12QJ1600）的動(dòng)態(tài)范圍。VOD 引腳電壓可將 OUT– 信號(hào)電平轉(zhuǎn)換至輸出共模電壓 (VOCM) 以上，將 OUT+ 信號(hào)電平轉(zhuǎn)換至 VOCM 以下，從而最大限度地提高放大器的輸出擺幅能力。有關(guān)模擬前端動(dòng)態(tài)范圍優(yōu)化的更多信息，請(qǐng)參閱《模擬設(shè)計(jì)期刊》。

光學(xué) ToF 激光雷達(dá)系統(tǒng)廣泛用于各種產(chǎn)品，可使用 TDC 或 ADC 架構(gòu)實(shí)現(xiàn)接收路徑。TI 提供的多種 IC（包括 TIA、FDA、TDC 和 ADC）均可用于上述系統(tǒng)。有關(guān)光學(xué)系統(tǒng)的更多信息，請(qǐng)參閱《汽車激光雷達(dá)簡(jiǎn)介》白皮書。