採用適當的轉阻放大器，確保光達汽車距離感測器達到精準操作

成功的自駕車，乘客必須信賴車輛的感測器和軟體能夠導引他們安全且準確的到達目的地。信賴的關鍵在於融合多種感測器類型輸入，以增強準確度、備援、安全性，採用此類技術能啟用先進駕駛輔助系統 (ADAS)。光學雷達 (LiDAR) 是主要的感測器之一。設計人員必須確保光達系統能為自駕車提供最高的可靠性、解析度、精密度、回應時間。

光達效能大部分有賴於前端轉阻放大器 (TIA)，此元件能快速恢復突崩光電二極體 (APD) 的訊號，提供數位回授。飛時測距 (ToF) 技術將回授訊號和傳輸訊號的時間點進行比較，即可計算出距離。

本文概述使用光達針對精密物件偵測開發回授電路效能的相關問題。接著會介紹一款 Analog Devices 的 TIA。文中將展示如何善用其高速、頻寬、低輸入阻抗值的優勢，並且快速由反射光中恢復，產生奈秒 (ns) 的光電二極體上升時間。也將展示為達到最佳效能，如何透過 AC 耦合拒斥 APD 暗電流和環境光，以達到精準的飛時測距估計值。

ADAS 的要件

ADAS 的核心是精密感測系統，用以分析外部物件。識別這些物件和其位置能讓車輛通知駕駛或採取適當的行動 (或兩者並行)，以避免事件發生。ADAS 的感測器技術包含造影攝影機、慣性量測單元 (IMU)、雷達，當然還有光達。其中，光達是關鍵的光學技術之一，能為自駕車提供不良天候和側向距離感測和範圍測量。這是 ADAS 系統 (圖 1) 不可或缺的一部份。

圖 1：功能分析圖 (攝影機和相關軟體)、雷達、光達系統相互支援，形成 ADAS，以進行適當行動。(圖片來源：Analog Devices)

ADAS 系統使用攝影機快速偵測和辨識外部物件，例如車輛、行人、障礙物、交通號誌、車道。分析結果會觸發適當回應，提供最大安全性。回應包含車道偏離警示、自動緊急煞車、盲點警示、駕駛喚醒和警示偵測等。攝影機的強項在於物件分類和側向解析度。

自足式 IMU 系統測量角度和線性動作，通常具有涵蓋陀螺儀、磁力計、加速計三者。IMU 以可靠輸出整合角速度和加速量值，位於平衡環架上。平衡環架是一個樞軸支架，能讓物件依單軸旋轉。三個一組的平衡環架，以正交樞軸相互安裝，將物件安裝在最內部的平衡環架上，能保有支架旋轉的獨立性。IMU 提升 GNSS 的準確性，由公尺到公分，達到更準確的車道定位。

汽車雷達技術有不同的變數量測，包含距離和速度，同時要在黑暗中提供「可見度」。一般而言，24 和 77 GHz 訊號傳輸率用於高解析度。雷達感測器從其可視區域擷取不同物件的反射訊號。車輛接著會在其他感測器輸入的環境中分析此感測器輸出，判定是否區要調整方向或煞車，以避免碰撞等。

為了達到完整的 ADAS 功能，光達採用的光學光譜回應範圍介於 200 和 1150 nm。此系統測量雷射傳輸到接收反射訊號的 ToF。彙整眾多訊號，能為車輛周圍形成準確的多維深度圖。光達應用包括防撞、盲點偵測、緊急剎車、主動式巡航控制、動態懸吊控制，以及停車輔助應用。光達系統在側向解析度和惡劣天候下的能力大幅超越雷達。

ADAS 和自駕車周圍需要置放多重感測器，達到 360˚ 的偵測和分析 (圖 2)。

圖 2：攝影機、雷達、光達的組合為車輛周圍提供 360° 的視角，確保車內外的安全。(圖片來源：Analog Devices)

隨著這些感測器和其相關軟體有所提升，駕駛、乘客和其他接近車輛的人員將獲得更高安全性。

光達光學

光達設計由在車輛上旋轉的「咖啡罐」感測器 (每個 $75,000 美元)，進化到更現代的形式，現在每個約 $1,000 美元不到。成本的降低主要源於雷射和相關電子的進展。僅包含半導體的雷射 (相較於旋轉咖啡罐) 和相關半導體製程擴充，是成本和尺寸均縮減的主要原因。現在，有多種光達感測器可以置放在車輛的前後和側向，達到低成本的 360˚ 可見度。

典型的光達設計可以分為三個主要領域：數據採集 (DAQ)、類比前端 (AFE)、雷射源 (圖 3)。

圖 3：光達評估系統的分項，顯示光達包含三個主要領域：DAQ、AFE、雷射源。(圖片來源：Analog Devices)

DAQ 含有一個高速類比數位轉換器 (ADC) 和對應的功率和時脈，以便從雷射和 AFE 蒐集 ToF 資料。AFE 包含 APD 光感測器和 TIA，用來擷取反射訊號。整個訊號鏈調節 APD 輸出訊號，會在 DAQ 部分饋入 ADC。AFE 輸出至 DAQ 也包含延遲計時。雷射部分會包含雷射和相關驅動電路，並傳輸初始雷射輸出訊號。

光達 AFE

如圖 4 所示，光達接收器訊號鏈最初為高電壓逆向偏壓 (-120 至 -300 V)、低輸入電容 APD 和 TIA，如 Analog Devices 的 LTC6561HUF#PBF 元件。需針對較低 APD 輸入和電路板寄生電容特別進行設計，以補償 TIA 高速 220 MHz 增益頻寬乘積 (GBWP)。需額外注意 TIA 輸入部分，方可達到所需的訊號完整性等級和通道隔離，才不會有額外的雜訊加入 APD 產生的電流訊號，以便達到最高 SNR 和系統物件偵測率。

TIA 含低通放大器濾波器 Analog Devices 的 LT6016，可減緩高速訊號振鈴，進而提升訊號完整性。TIA 轉換 APD 輸出電流 (I_APD) 至輸出電壓 V_TIA。V_TIA 電壓傳輸至差動緩衝器放大器 (Analog Devices 的 ADA4950-1YCPZ-R7)，會驅動 ADC 的輸入 (未顯示)。

圖 4：此設計的 AFE 包含 APD、LTC6561 TIA、ADA4950 差動輸入／輸出高速放大器。LT6016 是放大器濾波器，可減緩高速訊號振鈴。(圖片來源：Analog Devices)

使用 ToF 計算距離，會採用 ADC 取樣訊號的增量，決定接收到的光脈衝解析度，如方程式 1：

方程式 1

其中：

L_S = 光速 (3 x 10⁸ m/s)

f_S = ADC 取樣率

N = 在光脈衝產生和接收反射期間的 ADC 取樣數

舉例而言，若 ADC 的取樣率為 1 GHz，每個取樣的對應距離為 15 cm。

取樣不確定性一定為接近零，這是由於即使只有幾個不確定性取樣，也會導致會有影響的量測錯誤。有鑑於此，光達系統使用平行 TIA 和 ADC 以趨近零取樣不確定性。如此會增加通道數，也會增加功耗和電路板尺寸。這些關鍵設計限制也要求高速、JESD204B 介面序列輸出，以解決平行 ADC 問題。

光達感測器

如上所述，光達系統的關鍵感測元件為 APD。這些光電二極體的逆向偏壓具有內部增益，範圍介於幾十伏特或數百伏特之間。APD 訊噪比 (SNR) 高於 PIN 光電二極體。此外，APD 的快速時間響應、低暗電流和高靈敏度使其獨特。APD 的側向回應範圍介於 200 至 1150 nm，以匹配光達的典型側向範圍。

Marktech Optoelectronics 的 MTAPD-07-010 即為良好的 APD 一例；其側向響應範圍介於 400 至 1100 nm，峰值為 905 nm (圖 5)。此元件的主動區域範圍為 0.04 mm²、功耗為 1 mW、順向電壓為 1 mA、操作電壓為 0.95 x 崩潰電壓 (Vbr) 200 V (最大)、上升時間為 0.6 ns。

圖 5：Marktech Optoelectronics 的 MTPAPD-07-0101 APD 的峰值響應為 905 nm、主動區域為 0.04 mm²、上升時間為 0.6 ns。(圖片來源：Marktech Optoelectronics)

典型半導體架構 APD 以相當高的逆向電壓操作 (數十或數百伏特)，有時趨近於崩潰電壓 (如 MTAPD-07-010 為 0.95 Vbr)。在此配置中，吸收的光子會在強大的內部電場中激發電子和電洞，產生二次載子。在數個微米內，雪崩程序會有效的放大光電電流。

由於 APD 的操作特性，其對電子訊號放大需求較低，且對電子雜訊較不敏感，因此非常適合極端敏感的偵測器。矽 APD 的倍增或增益係數，依據元件和應用的逆向電壓而異。MTAPD-07-010 的增益為 100。

TIA 解決方案

在操作時，光達會發射數位突衝光學訊號，其反射訊號會由 MTAPD-07-010 APD 擷取。TIA 需有快速飽和過載恢復時間和快速輸出多工。LTC6561 低雜訊、四通道 TIA 的頻寬為 220 MHz，符合這些要求 (圖 6)。

圖 6：LTC6561 四通道 TIA，具有獨立放大器和單多工輸出級，設計用於運用 APD 的光達。(圖片來源：Analog Devices)

圖 6 中，反射的雷射訊號 (如圖 3)，由 APD 陣列和四個低雜訊 200 MHz TIA 擷取。TIA 快速傳輸擷取訊號至 ToF 偵測器 (右上)。四個 TIA 輸入的 1 nF 電容能有效進行濾波，並消除 APD 暗電流和環境光狀態，保留 TIA 的動態範圍。不過，電容值會影響切換時間，設計人員在設計中需將此納入考量。

APD 在強大的光照下，可能會產生大電流，常會超過 1 A。LTC6561 在此強度的大過載電流下可用且能快速恢復。快速過載恢復是光達應用的關鍵。快速 1 mA 過載恢復趨穩時間為 10 ns (圖 7)。

圖 7：LTC6561 在 1 mA 大過載電流下可用且能在 10 ns 快速恢復。(圖片來源：Analog Devices)

圖 7 中，輸入電流等級超過線性範圍，加寬輸出脈衝。不過，恢復時間仍維持為十幾奈秒。LTC6561 不到 12 ns 即可從 1 mA 飽和事件中恢復，而不會相位反轉，因此達到最低資料遺失。

結論

成功的自駕車需整合和融合攝影機、IMU、雷達、光達。特別是光達，在物件偵測精密度方面最為重要，採用此光學技術可適當且充分的因應相關問題。