在本文中，我們將探討跨阻放大器 (TIA) 的各種輸入耦合選項(xiàng)的影響，并闡明每種情況下容易被忽視的后果。目的是幫助工程師有效地設(shè)計(jì)和優(yōu)化 LIDAR 系統(tǒng)的 TIA 接口。我們將重點(diǎn)介紹將高增益光學(xué)檢測(cè)器耦合到 TIA 輸入時(shí)的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。
    LIDAR 輸入不是一個(gè)微不足道的話題，在此過(guò)程中會(huì)有很多變化的部分。信號(hào)鏈將根據(jù)您選擇的設(shè)計(jì)而有所不同，因此在選擇最適合您的項(xiàng)目的選項(xiàng)之前考慮所有選項(xiàng)非常重要。
    激光雷達(dá)和你
    飛行時(shí)間 LIDAR 接收器信號(hào)鏈有許多設(shè)計(jì)權(quán)衡，可能會(huì)影響成像系統(tǒng)的性能。TIA 與其檢測(cè)器之間的接口是這一挑戰(zhàn)的一部分。對(duì)于具有多通道切換功能的跨阻放大器尤其如此。
    激光雷達(dá)接收器構(gòu)建塊
    飛行時(shí)間激光雷達(dá)系統(tǒng)由發(fā)射信號(hào)鏈和接收信號(hào)鏈組成。發(fā)射部分向物體發(fā)送光子脈沖，接收部分測(cè)量該脈沖的幅度和性質(zhì)。光從傳輸?shù)綑z測(cè)所需的時(shí)間告訴您光傳播了多遠(yuǎn)。在最基本的層面上，接收信號(hào)鏈由光電探測(cè)器、TIA 和模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 組成，如圖 1 所示。
   

    圖 1. 由 ADC 量化的 LIDAR 接收器信號(hào)鏈。
    對(duì)于多通道應(yīng)用，多路復(fù)用器用于減少 ADC 的數(shù)量。當(dāng)光子撞擊光電探測(cè)器時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生電流，該電流會(huì)被 TIA 轉(zhuǎn)換為電壓。然后該電壓被 ADC 量化為數(shù)字值。量化器的另一種流行選擇是使用比較器和時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器 (TDC)，如圖 2 所示。這些 TDC 系統(tǒng)的成本和功耗降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)，同時(shí)犧牲了較低的系統(tǒng)性能。此外，多路復(fù)用器的使用通常不與 TDC 一起使用，但可以用于減少 TDC 和比較器的數(shù)量。
   

 

   圖 2. 由 TDC 量化的 LIDAR 接收器信號(hào)鏈。
    存在三種主要類型的檢測(cè)器。光電二極管是將光子轉(zhuǎn)換為電子的探測(cè)器，但它們不提供光學(xué)增益，因此不是這些應(yīng)用的普遍選擇。激光雷達(dá)系統(tǒng)中流行的檢測(cè)器是雪崩光電二極管 (APD)。APD 是反向偏置直至結(jié)點(diǎn)擊穿的光電二極管，可獲得光學(xué)增益。第三種類型的探測(cè)器是單光子雪崩二極管 (SPAD)。SPAD 是反向偏置的，具有介于擊穿電壓和與 SPAD 的保護(hù)環(huán)相關(guān)的第二個(gè)更高擊穿電壓之間的過(guò)量偏置電壓。在這種偏壓下，注入耗盡層的單個(gè)電荷載流子可以觸發(fā)自持雪崩，從而在檢測(cè)器上產(chǎn)生數(shù)千倍的虛擬增益。由于 SPAD 的敏感性，它們似乎是自然的選擇。然而，激光雷達(dá)系統(tǒng)必須應(yīng)對(duì)許多現(xiàn)實(shí)世界的后果，過(guò)多的增益會(huì)很容易使接收鏈飽和。此外，額外的增益伴隨著額外的噪聲，稱為過(guò)度噪聲因子 (ENF)。ENF 與偏差呈指數(shù)相關(guān)，過(guò)多的增益會(huì)給檢測(cè)器帶來(lái)更差的信噪比 (SNR)。幸運(yùn)的是，APD 是一種令人滿意的介質(zhì)，可為該空間提供足夠的光學(xué)增益，但 ENF 不會(huì)過(guò)多而對(duì) SNR 產(chǎn)生負(fù)面影響。增益太大會(huì)給檢測(cè)器帶來(lái)更差的信噪比 (SNR)。幸運(yùn)的是，APD 是一種令人滿意的介質(zhì)，可為該空間提供足夠的光學(xué)增益，但 ENF 不會(huì)過(guò)多而對(duì) SNR 產(chǎn)生負(fù)面影響。增益太大會(huì)給檢測(cè)器帶來(lái)更差的信噪比 (SNR)。幸運(yùn)的是，APD 是一種令人滿意的介質(zhì)，可為該空間提供足夠的光學(xué)增益，但 ENF 不會(huì)過(guò)多而對(duì) SNR 產(chǎn)生負(fù)面影響。
    當(dāng)光子撞擊 APD 時(shí)，會(huì)在結(jié)處產(chǎn)生電子空穴對(duì)。APD 的高電場(chǎng)就像彈弓一樣，加速電子以擊落更多電子。這增加了每個(gè)接收到的光子釋放的電子數(shù)量。這種效應(yīng)稱為雪崩效應(yīng)，它增加了一個(gè)倍增因子（M 因子）。由于 TIA 的本底噪聲通常是 SNR 的限制因素，因此這種增益依賴于偏置，可以讓我們看到較弱的信號(hào)。目標(biāo)是匹配信號(hào)鏈中下一階段的本底噪聲。在這種情況下，通過(guò)在 APD 中提供足夠的增益來(lái)匹配 TIA 的本底噪聲，以略??微支配信號(hào)鏈噪聲，從而為系統(tǒng)提供最佳 SNR。這種噪聲匹配概念廣泛用于傳感器本底噪聲不是限制因素的許多信號(hào)鏈中。實(shí)際上，接收器性能的提高轉(zhuǎn)化為檢測(cè)范圍的擴(kuò)大。APD 的另一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)是快速飽和恢復(fù)。同樣，TIA 是這方面的限制因素，LIDAR 特定的 TIA 旨在減少飽和時(shí)間以避免使 LIDAR 系統(tǒng)致盲。APD 的唯一缺點(diǎn)是它們相對(duì)較高的偏置點(diǎn)（數(shù)百伏）以及與之相關(guān)的溫度系數(shù)。
    激光雷達(dá)對(duì) TIA 有獨(dú)特的要求。低電流噪聲和高帶寬是所有光學(xué)應(yīng)用的典型特征。然而，低功率是必要的。由于當(dāng)前系統(tǒng)具有 64 個(gè)或更多 TIA APD 通道，系統(tǒng)的功率預(yù)算可能會(huì)很快受到壓力。因此，在不使用 TIA 時(shí)需要低功耗模式。此外，這些設(shè)備需要快速喚醒以優(yōu)化其功率預(yù)算?，F(xiàn)代 LIDAR TIA 的另一個(gè)要求是針對(duì)飽和事件的鉗位電路以及平衡和權(quán)衡輸入?yún)⒖荚肼暫蛶?。普通光信?hào)鏈和 LIDAR 之間的一個(gè)主要區(qū)別是環(huán)境。在光纖應(yīng)用中，系統(tǒng)是封閉的并且非常穩(wěn)定。然而，在激光雷達(dá)中，我們需要應(yīng)對(duì)太陽(yáng)以及其他激光雷達(dá)系統(tǒng)。太陽(yáng)可能會(huì)導(dǎo)致直流輸入使接收鏈線性范圍飽和。這是工程師在設(shè)計(jì)這些系統(tǒng)時(shí)必須克服的首要挑戰(zhàn)之一。不幸的是，解決方案并不容易，本文將予以解決。
    輸入交流耦合注意事項(xiàng)
    讓我們探索一種阻止直流信號(hào)的簡(jiǎn)單方法，許多工程師嘗試實(shí)施但未取得太大成功的方法：在 APD 和 TIA 之間連接一個(gè)交流耦合電容器。通過(guò)放置一個(gè)電容器，我們可以減輕直流效應(yīng)，但這會(huì)帶來(lái)一系列新的挑戰(zhàn)。
    RC 權(quán)衡
    首先，將交流耦合電容器添加到 TIA 輸入的輸入端還需要將直流路徑連接到檢測(cè)器。通過(guò)放置一個(gè)電阻器 R B，可以設(shè)置 APD 的偏置點(diǎn)，從而允許您將 TIA 輸入與 C IN進(jìn)行交流耦合，如圖 3 所示。您為此偏置路徑做出的一個(gè)犧牲是它為APD 電流流過(guò)。該并行路徑將對(duì) APD 的增益產(chǎn)生負(fù)面影響，因?yàn)樗男盘?hào)將被共享。此 APD 增益衰減的幅度由 TIA 輸入阻抗與為 R B選擇的值之間的比率決定。此外，CIN當(dāng)輸入受到來(lái)自 APD 的電流時(shí)，會(huì)對(duì)電路產(chǎn)生影響，在電容器上產(chǎn)生電壓。這種效應(yīng)是由于電容器的積分電流特性造成的，其中電壓是電流隨時(shí)間和電容值的函數(shù)。目標(biāo)是使 C IN足夠小以最小化充電效應(yīng)，但又足夠大以使其（具有足夠低的阻抗）以感興趣的頻率傳遞信號(hào)。換句話說(shuō)，如果 C IN太大，則放電需要更長(zhǎng)的時(shí)間，但如果 C IN太小，您將失去一些信號(hào)作為電壓降（如果脈沖具有較長(zhǎng)的相對(duì)時(shí)間尺度，則失真）到電容）。這些影響中的任何一個(gè)都會(huì)嚴(yán)重?fù)p害信號(hào)鏈。
    圖 3.需要R B來(lái)交流耦合 TIA。
    上漿 R B和 C IN
    讓我們舉例說(shuō)明 C IN 的尺寸太小會(huì)如何影響您的滿量程測(cè)量：在 200 MHz 時(shí)，一個(gè) 33 pF 的電容器看起來(lái)像 24 Ω，這會(huì)產(chǎn)生一個(gè)帶有 R IN的分壓器（對(duì)于 LIDAR TIA，通常約為幾百歐姆） ), 將信號(hào)的實(shí)際值減去 10%。10% 的信號(hào)命中率可以輕松抵消為優(yōu)化光學(xué)設(shè)計(jì)等其他領(lǐng)域所做的艱苦工程工作。當(dāng)確定 R B 的大小時(shí)，這種用于消除直流的交流耦合方法的缺陷變得很明顯。RB _與 TIA 輸入阻抗相比應(yīng)該很大，以防止增益下降，但又足夠小，不會(huì)影響飽和恢復(fù)。選擇 RC 時(shí)間常數(shù)的不可能平衡由于檢測(cè)器的輸入信號(hào)是單極的這一事實(shí)而變得復(fù)雜。輸入脈沖的方波特性在此 RC 上進(jìn)行平均，將消除 TIA 的動(dòng)態(tài)范圍。此外，TIA 可能會(huì)在通道切換時(shí)或通過(guò)使用輸出多路復(fù)用時(shí)為 C IN充電。例如，使用LTC6561，有源通道的 TIA 輸入標(biāo)稱值為 1.5 V。當(dāng)通道處于非活動(dòng)狀態(tài)時(shí)，輸入電壓降至 0.9 V。當(dāng)在檢測(cè)器和 TIA 輸入之間插入交流耦合電容器時(shí)，電容器必須重新充電至 1.5 V，通道才能再次激活。圖 4 說(shuō)明了通道切換與輸入耦合電容器的多通道系統(tǒng)性能下降。請(qǐng)注意，輸出多路復(fù)用時(shí)間 (OMUX) 受到的影響類似于通道切換，因?yàn)樗趦?nèi)部以相同的方式禁用輸入。再充電時(shí)間將由第一級(jí) RT 電阻器復(fù)合，該電阻器通常在幾十千歐姆的數(shù)量級(jí)，因?yàn)樵谶@種情況下控制回路被破壞。在關(guān)斷模式下關(guān)斷輸入級(jí)以節(jié)省功耗的 TIA 中也會(huì)產(chǎn)生類似的效果。
  交流耦合輸入導(dǎo)致的 OMUX 和通道切換時(shí)間圖。R B = 12kΩ。
    TIA 飽和注意事項(xiàng)
    在這個(gè)坑里挖得更深，飽和度恢復(fù)將是棺材上的最后一顆釘子。圖 5 顯示了 C IN暴露于高輸入電流時(shí)的輸出。10 mA 脈沖對(duì)交流耦合 TIA 的影響，其中 R B為 2.2 kΩ，C IN為 100 pF，清楚地顯示了高電流脈沖事件后兩個(gè)不同的操作區(qū)域。在 5 ns 的 10 mA 輸入脈沖之后，AC 電容器已被大量充電并且 TIA 輸出軌的輸出接地。這種接地輸出飽和是輸入被拉離其標(biāo)稱 1.5 V 的征兆，并且是檢測(cè)器電流幅度和持續(xù)時(shí)間的函數(shù)。脈沖電流越高，輸出飽和、接地的時(shí)間越長(zhǎng)。第二個(gè)操作區(qū)域是恢復(fù)狀態(tài)。該恢復(fù)狀態(tài)時(shí)間常數(shù)與 R B和 C IN相關(guān)。
       顯示了不同條件下的兩種機(jī)制，它們提供了更多直觀的見解?？偦謴?fù)時(shí)間是交流耦合輸入 TIA 的軌道時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間之和。為 R B使用較小的電阻值以減少恢復(fù)時(shí)間可能很誘人，但請(qǐng)記住，R B也是檢測(cè)器的并聯(lián)路徑并竊取了一些輸入電流——這種竊取的電流轉(zhuǎn)化為整體的減少APD 的增益。不幸的是，由于預(yù)計(jì) LIDAR 將在現(xiàn)實(shí)世界中運(yùn)行，因此有可能看到來(lái)自其他系統(tǒng)的大光脈沖，并導(dǎo)致納秒激光脈沖產(chǎn)生數(shù)十微秒的飽和恢復(fù)。
      輸入直流耦合注意事項(xiàng)
    直流耦合輸入很簡(jiǎn)單。在高電平時(shí)，圖 7 中所示的直流耦合輸入允許 TIA 從飽和狀態(tài)快速恢復(fù)，并且僅受 TIA 的飽和恢復(fù)限制。這種方法的缺點(diǎn)是它會(huì)允許 DC 從 APD 傳遞到 TIA 輸入。遺憾的是，檢測(cè)器引起的環(huán)境光、暗電流和泄漏可能會(huì)占用 TIA 的部分或大部分輸入線性范圍。這種降低的動(dòng)態(tài)范圍實(shí)質(zhì)上降低了接收鏈 SNR。在足夠的環(huán)境光下，TIA 的動(dòng)態(tài)范圍會(huì)嚴(yán)重降低至零動(dòng)態(tài)范圍，從而使系統(tǒng)失明。
      最常用的減少環(huán)境光的方法通常涉及光學(xué)過(guò)濾，如圖 8 所示或使用有源電路消除圖 9 所示的偏移。光學(xué)帶通濾波器可以直接涂在 APD 窗口或鏡頭。在較高水平上，光學(xué)帶通濾波器將減少環(huán)境光的影響。濾光器無(wú)助于消除內(nèi)部光學(xué)器件的反射，這會(huì)導(dǎo)致較大的不需要的信號(hào)。但是，這是一個(gè)很好的第一道防線。有源直流消除電路向 TIA 的輸入注入相反的電流以抵消輸入直流分量。該方案需要從 TIA 輸出到其輸入的閉環(huán)，并且需要非常小心地保持 TIA 的噪聲和開關(guān)性能??。由于我們正在研究 10k 到 100k 的 TIA 增益，環(huán)路穩(wěn)定性也具有挑戰(zhàn)性。本文將不涉及此的電路技術(shù)和架構(gòu)。這里最重要的一點(diǎn)是，一旦電路中的穩(wěn)定性和輸入電容得到緩解，DC 消除就會(huì)為飽和恢復(fù)提供最佳性能。然而，這是以增加成本和復(fù)雜性為代價(jià)的。
      輸入耦合直流電空調(diào)電流抵消直流
    優(yōu)點(diǎn)快速飽和恢復(fù)
    快速通道切換
    設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單
    最大動(dòng)態(tài)范圍，即使在環(huán)境光和 ADP 泄漏的情況下最大動(dòng)態(tài)范圍，即使在環(huán)境光和 ADP 泄漏的情況下
    快速飽和恢復(fù)
    快速通道切換
    缺點(diǎn)環(huán)境光和 ADP 泄漏導(dǎo)致的動(dòng)態(tài)范圍損失幾個(gè)設(shè)計(jì)考慮
    緩慢的飽和恢復(fù)
    需要仔細(xì)考慮的復(fù)雜電路
    互斥的設(shè)計(jì)選擇
    在考慮 AC 與 DC 耦合或電流抵消 LIDAR 的 TIA 輸入時(shí)，有許多權(quán)衡取舍。多路復(fù)用 LIDAR 接收模擬前端的理想特性是它具有高動(dòng)態(tài)范圍、快速恢復(fù)、抑制環(huán)境光、耗散功率小且?guī)挷皇芟拗啤Ｊ聦?shí)上，其中一些品質(zhì)具有相互排斥的設(shè)計(jì)考慮因素。
    交流耦合與直流耦合
    如果您選擇交流耦合，您的動(dòng)態(tài)范圍會(huì)以飽和時(shí)的恢復(fù)時(shí)間為代價(jià)而增加。AC 耦合對(duì)于可以容忍 10 微秒的 TIA 恢復(fù)時(shí)間的應(yīng)用是有意義的。如果選擇 DC 耦合，恢復(fù)速度會(huì)更快，但代價(jià)是您的部分或全部動(dòng)態(tài)范圍會(huì)因 DC 效應(yīng)而丟失。直流耦合在需要快速恢復(fù)并且對(duì)可能抑制動(dòng)態(tài)范圍的直流效應(yīng)不那么敏感的應(yīng)用中很有意義。如果選擇帶有集成電流消除的 DC 耦合拓?fù)?，您的?dòng)態(tài)范圍會(huì)增加，飽和恢復(fù)速度和通道切換會(huì)更快，同時(shí)需要額外的設(shè)計(jì)復(fù)雜性。
    在脈沖應(yīng)用中，簡(jiǎn)單地將交流耦合電容器添加到跨阻放大器的輸入端可能會(huì)損害系統(tǒng)的性能。但是，可以根據(jù)您的需要進(jìn)行權(quán)衡以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)的目標(biāo)。并非所有系統(tǒng)都需要最佳恢復(fù)時(shí)間（例如，工業(yè)和儀表系統(tǒng)），并且可以將交流耦合應(yīng)用于這些電路。在輸入為交流耦合時(shí) TIA 難以恢復(fù)的情況下，責(zé)怪 TIA 很方便。然而，即使使用零恢復(fù)時(shí)間的理想 TIA 模型，添加交流電容器后恢復(fù)時(shí)間仍會(huì)受到影響。在這種情況下，考慮添加直流耦合或直流耦合與直流消除電路可能是有意義的。
    概括
    LIDAR 輸入不是一個(gè)微不足道的話題，在設(shè)計(jì)過(guò)程中會(huì)有很多變化的部分。信號(hào)鏈將根據(jù)您選擇的設(shè)計(jì)而有所不同，因此在選擇最適合您的項(xiàng)目的選項(xiàng)之前考慮所有選項(xiàng)非常重要。