瞭解 LiDAR 的運作原理即可知道仔細挑選 TIA 和比較器的重要性

光達 (LiDAR) 已成為汽車設計領域最常聯想到的技術，懷抱夢想的人認為這有助於實現免操控方向盤的未來。具體而言，3D 掃描儀器會發出數位控制的光學訊號，然後儀器會偵測反射訊號，藉此分析環境並協助開發日益先進的駕駛輔助系統 (ADAS)。這些夢想家的想法是正確的，儘管現在的實作與經典的「咖啡罐」作法有很大的差異 (圖 1)。

圖 1：車用 LiDAR 感測器是 ADAS 的關鍵元件，儘管在發展上已經大幅跳脫最初的咖啡罐作法。(圖片來源： Research Gate)

早期的開發人員認為 360 度影像是唯一途徑，但是這個解決方案有點昂貴，也因此阻礙了全面商業化的發展。現在看來，汽車應用的繪製能力只需要用在前行方向、隨需求用在倒車、偶爾用於左右兩側，以及車門開啟時，如此就可達到更經濟實惠的設計。

但容我講個題外話。只聚焦在汽車系統，並無法讓 LiDAR 發揮完整潛力，所以讓我們以 LiDAR 的完整角度來看，首先從瞭解其工作原理開始。

LiDAR 的核心是轉阻放大器

LiDAR 的關鍵在於對光學訊號進行飛時測距 (ToF)，即從訊號發射到接觸物件而反射回來為止。此技術可完美搭配從雷射驅動器發送到雷射二極體的一連串數位訊號。LiDAR 系統偵測的是訊號邊緣而不是訊號頻率 (圖 2)。這種偵測方法需具備良好的轉阻放大器 (TIA)。

圖 2：雷射二極體會發出數位光脈衝，再由 TIA 擷取返回脈衝。(圖片來源： Analog Devices Inc./Maxim Integrated)

在圖 2 中，LiDAR 的訊號接收器電路包含一個 Analog Devices／Maxim Integrated 的 MAX40660 大頻寬 TIA 以及一個 Analog Devices Inc./Maxim Integrated 的 MAX40025 280 ps 高速比較器 (COMP)，具有超低頻散。

MAX40660 會形成光學測距鏈的接收器鏈路。此元件專為車用 LiDAR 而設計，因此除了低雜訊、高增益和低分組延遲外，還具有過載後快速恢復輸出、輸入電流箝位，以及 2.1 pA 的輸入參考雜訊密度。具有引腳可選的 25 kΩ 和 50 kΩ 轉阻，以及 490 MHz (典型) 的大頻寬和 0.5 pF 輸入電容。

此光學偵測系統的前端主要是一個光電偵測器，其設計需要精心挑選，並在實作時採用最佳實務，以有效擷取光學訊號。因此造就具有獨特頻寬與雜訊規格的 TIA，可促成固定或活動式的物體偵測。MAX40660 TIA 的大頻寬可擷取不同的實體條件細節，並具有低雜訊，可降低失真水準。

MAX40025 高速 COMP 可當作 1 位元的類比數位轉換器 (ADC)。過驅頻散極低，僅有 25 ps，因此這個比較器非常適合 ToF 測距應用。搭配 MAX40025 後，TIA 光學訊號可轉換成乾淨的「1」或「0」，比較器的典型傳播延遲為 280 ps。

根據行進的距離，照射在 D₁ 上的光線可能是明亮或微亮。此外，空氣中可能具有污染物，甚至會有擾人的眩光，進一步混淆系統。

為了抵消這些影響，讓 LiDAR 系統在現實世界中有效運作，需要跨領域的技術合作。汽車應用需要結合 LiDAR、雷達和相機感測器系統的技術。利用無人機和 GPS 繪製，能讓研究人員和工程師具備 3D 影像細節，以便奠定專案架構基礎。海深或海底測量用的 LiDAR 繪製可判定水下結構的位置。這些應用以及其他許多應用，都有其個別的 LiDAR 構造要求。

LiDAR 和電磁頻譜

在圖 2 中光學系統的前端，光電二極體 D₂ 會感測射出光對訊號計時，而 D₁ 則會感測返回光。這種電磁光學訊號可以涵蓋紫外線到紅外線 (圖 3)。

圖 3：電磁頻譜是指電磁輻射的範圍，其中只有很小一部分在可見光範圍內。(圖片來源： Cosmos)

大多數的 LiDAR 系統皆採用紅外線雷射系統，並運用雪崩式 InGaAs 矽晶當作 D₁ 和 D₂，其光學波長為 1310 nm 至 1550 nm。然而，有些 LiDAR 系統則採用可見光訊號。

結論

LiDAR 除了眾多應用外，在邁向更加直覺化的 ADAS，以及最終完全免操控方向盤的汽車夢想中，都是關鍵的元件。隨著技術精進，LiDAR 支援元件的相關要求也越來越嚴格。如本文所述，以 MAX40660 大頻寬 TIA 和 MAX40025 280 ps 高速比較器打造的 LiDAR 訊號接收器電路，可以奠定實用車用 LiDAR 前端的基礎。