TI 技術手冊

光學飛行時間 (ToF) 激光雷達（光探測和測距）系統廣泛用于各種產品，包括測距儀、速度測量設備、勘測裝備、機器人、無人機、3D 測繪和汽車高級駕駛輔助系統 (ADAS)。光學 ToF 系統由一個光發射器（通常采用激光器）和一個光接收器組成。系統測距原理是先向物體發射光脈沖，然后接收來自該物體的反射光脈沖，根據光脈沖到該物體的往返時間，可計算出發射器、接收器和物體之間的距離。圖 1-1 為光學 ToF 系統的簡圖。

光學 ToF 系統的接收路徑主要有兩種架構：一種是基于時間數字轉換器 (TDC) 的系統，另一種是基于模數轉換器 (ADC) 的系統，這兩種架構均可用于實現光學 ToF 系統，但各自具有不同的優缺點。

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

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跨阻放大器 (TIA)，如 TI 的 OPA858 5.5GHz 運算放大器，對光電二極管發出的信號進行電流-電壓轉換。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用中用作跨阻放大器 (TIA)。根據系統所用光電二極管的電容，OPA858 可提供超過 250MHz 的閉環帶寬和 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計，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 器件引腳對引腳兼容的封裝。集成度更高的 TIA（例如 LMH34400）可使具有環境光消除功能的基于 TDC 的系統更具有優勢。

該系統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，并驅動 TDC 的 STOP 輸入。TLV3501 具有僅 1.5ns 的快速上升時間和僅 4.5ns 的短時延遲，因此非常適合用作此電路的接收路徑。

當需要低成本、低功耗且只需進行簡單的距離測量時，推薦采用這種基于 TDC 的架構。有關基于 TDC 的架構的更多信息，請參閱 TIDA-060025 參考設計以及飛行時間和激光雷達 - 光學前端參考設計 視頻。

基于 ADC 的 ToF 激光雷達系統采用高速模數轉換器（如 TI 的 ADC34J45 14 位 160MSPS ADC），將反射波形轉換為可進行處理和分析的數字信號，然后使用數字信號處理器 (DSP) 或現場可編程門陣列 (FPGA) 處理通過 ADC 接收的波形信息。這些基于 ADC 的系統通常可確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 ToF 系統方框圖。

基于 ADC 系統的接收路徑也需要一個 TIA，用于將光電二極管的電流輸出轉換為電壓。該系統使用了 TI 集成了可選增益選項的 OPA857 TIA。該 OPA857 器件具有 5kΩ 或 20kΩ 的跨阻增益選項可選，可實現靈活的系統設計；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 之間實現直接的引線鍵合。使用 OPA857-DIE 實現直接的引線鍵合，可顯著降低光電二極管與 TIA 之間的寄生電容和電感。裸片選項還可縮小設計尺寸，使光電二極管和 TIA 之間的連接更高效。

基于 ADC 的系統還使用 THS4541 全差分放大器 (FDA) 來驅動 ADC34J45 高速 ADC 的差分輸入端。完成信息數字化后，會由 TSW1400 控制器板上的 FPGA 進行處理和分析。然后，系統會確定物體的距離信息，并顯示在基于 PC 的應用上。有關基于 ADC 的架構的更多信息，請參閱 TIDA-01187 參考設計以及激光雷達脈沖飛行時間參考設計概述 (TIDA-01187) 視頻。

德州儀器 (TI) 還提供先進的單通道 LMH32401 和四通道 LMH32404 器件，這些器件集成了多種適合光學 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，因此適用于驅動高速 ADC。LMH32401 還具有集成的 100mA 電流鉗位，不僅可提供保護，還能使放大器在光學測距系統內迅速從過載輸入條件下恢復正常。此外，放大器還具有集成的環境光消除電路，其差分輸出失調電壓 (VOD) 輸出針腳可用于設置其 OUT+ 和 OUT– 引腳之間的差分輸出，這一點非常實用，因為它能更大限度提高光學前端 ADC（例如 1.6GSPS ADC12QJ1600）的動態范圍。VOD 引腳電壓可將 OUT– 信號電平轉換至輸出共模電壓 (VOCM) 以上，將 OUT+ 信號電平轉換至 VOCM 以下，從而最大限度地提高放大器的輸出擺幅能力。有關模擬前端動態范圍優化的更多信息，請參閱《模擬設計期刊》。

光學 ToF 激光雷達系統廣泛用于各種產品，可使用 TDC 或 ADC 架構實現接收路徑。TI 提供的多種 IC（包括 TIA、FDA、TDC 和 ADC）均可用于上述系統。有關光學系統的更多信息，請參閱《汽車激光雷達簡介》白皮書。