【導讀】當今市場上許多應用都要求具有深度傳感的精確測量能力，包括工業、消費和汽車領域，產品種類包括自動導引車（AGV）、掃地機器人
、無人機、自動駕駛汽車等，極具市場發展潛力。本文將為您介紹深度傳感技術的原理，以及由艾睿電子推出的LiDAR（激光雷達）參考設計，以及該方案中采用的ROHM、安森美（onsemi）、ADI、Murata等關鍵器件的產品特性。

擁有各自優缺點的深度傳感技術

想要進行深度傳感應用，當前已經有許多不同的深度傳感方法，包括使用標準CMOS圖像傳感器的方法進行立體三角測量、相位檢測像素和結構光等方式。

使shi用yong立li體ti三san角jiao測ce量liang方fang式shi來lai測ce量liang距ju離li，是shi通tong過guo對dui來lai自zi兩liang個ge不bu同tong攝she像xiang機ji的de接jie收shou光guang進jin行xing三san角jiao測ce量liang來lai獲huo得de的de，經jing過guo比bi較jiao攝she像xiang機ji拍pai攝she的de圖tu像xiang之zhi間jian物wu體ti位wei置zhi的de差cha異yi
，可ke以yi計ji算suan出chu攝she像xiang機ji到dao物wu體ti之zhi間jian的de距ju離li。采cai用yong立li體ti三san角jiao測ce量liang方fang式shi具ju有you被bei動dong方fang法fa、采用標準圖像傳感器的優點
，但也有需要使用2個攝像機、最大距離取決於攝像機之間的距離，並高度依賴光照條件，以及需要計算的成本等缺點。

xiangweijiancexiangsufangshishishiyongdangeshexiangjilaihuoquchangjingzhongdiandejuli，tuxiangchuanganqizaixiangsujibiexia
，tongguozaibutongweizhijuyouzheguangzhaodexiangsuduisuojieshoudaodeguangdexiangweicha，huotongguoshiyongtongyiweitoujingxiadeduogeguangdianerjiguanlaijisuanshendu
，xiangshiiPhone相機的自動對焦，便是采用此技術。相位檢測像素方式具有采用被動方法與標準圖像傳感器的優點，但也有深度分辨率差
、高度依賴光照條件、需要計算的成本、短距離等缺點。

結構光則是使用具有傳統CMOS圖像傳感器的攝像機
，來分析接收到的紅外光圖案，並用場景中的失真來計算深度，圖案的失真可用於獲取物體的3D形狀。結構光具有適合短距離的優點，但也有必須采用主動方法、對環境光敏感、深度誤差將隨距離增加、不適合長距離等缺點，適合應用於人臉識別。 

LiDAR擁有較高的深度傳感能力

由於LiDAR擁yong有you高gao深shen度du和he角jiao分fen辨bian率lv，使shi其qi具ju有you優you於yu替ti代dai方fang法fa的de較jiao高gao深shen度du傳chuan感gan能neng力li，並bing且qie由you於yu其qi使shi用yong紅hong外wai光guang發fa射she器qi和he接jie收shou器qi的de主zhu動dong方fang法fa

，因yin此ci能neng夠gou在zai所suo有you光guang照zhao條tiao件jian下xia運yun行xing。LiDAR已經廣泛部署在許多不同的市場，用於各種應用和用例，包括汽車
、工業
、機器人以及消費型增強現實和虛擬現實（AR/VR）等應用。

通常
，LiDAR會采用直接飛行時間（dToF）測量技術
，它計算發射信號與其返回回波之間的時間延遲，另一種方法是間接飛行時間（iToF）

，這兩種方法都可以使用脈衝或連續調製來實行。 

用於脈衝ToF係統的LiDAR解決方案

為了加快客戶產品的開發速度，艾睿電子的Openlab推出脈衝dToF LiDAR解決方案的參考設計。艾睿電子的LiDAR ToF解決方案針對範圍／距離測量，因此采用脈衝ToF係統
，LiDAR ToF係統的信號處理部分采用時間數字轉換器（TDC）或模數轉換器（ADC）距離估算方法，基於TDC的方法使用高精度時鍾器件將開始／停止事件計數為時間差，而基於ADC的方法定期測量和數字化返回信號，然後估計時間差。

此LiDAR ToF係統的距離分辨率與模擬部件（激光二極管、激光驅動器
、低噪聲放大器和光電探測器）的組合上升時間和響應時間成反比。基於TDC的方法可以解決模擬域的分辨率問題
，而基於ADC的方法可以通過一些複雜的數字返回信號檢測方案，以及複雜的基帶係統和軟件來解決一些問題。

艾睿電子的LiDAR ToF解決方案選擇基於TDC的方法，更多地關注模擬硬件設計，以實現更好的上升時間和響應行為，從而在艾睿電子的LiDAR解決方案中實現最佳距離檢測應用。

使用脈衝式ToF係統時，會使用905nm的波長
，因為905nm係統（紅外線）更適合可達75W的最大光功率。相反地

，650nm激光（可見紅光）一般無法實現上電脈衝操作
，最大光功率約100mW。 

窄脈衝操作可擴大操作範圍

在艾睿電子LiDAR ToF解決方案的硬件設計中

，采用了ROHM的方案來實現模擬域LiDAR性能最優的方法。為了縮短激光觸發脈衝，艾睿電子的LiDAR ToF解決方案中使用了ROHM RLD90QZW3脈衝激光二極管，它可以支持窄脈衝操作，脈衝寬度為15納秒，而傳統LiDAR解決方案中常用的脈衝寬度為30納秒。通過將脈衝寬度減小50%，可以在相同的工作條件下提供更高的光功率，從而擴大了工作範圍。

通過使用這種短脈衝寬度，艾睿電子的LiDAR ToF解jie決jue方fang案an支zhi持chi多duo脈mai衝chong操cao作zuo，可ke以yi提ti高gao測ce量liang精jing度du，並bing通tong過guo對dui多duo次ci測ce量liang進jin行xing平ping均jun或huo統tong計ji分fen析xi，來lai消xiao除chu環huan境jing噪zao聲sheng和he幹gan擾rao。該gai解jie決jue方fang案an還hai在zai激ji光guang二er極ji管guan中zhong使shi用yongGaN FET以實現更快的切換
，從而進一步提高傳輸延遲效率。采用GaN FET晶體管用於替代傳統的MOSFET晶體管，可提供快10倍的開關行為，從而縮短激光傳輸路徑的上升時間。

該解決方案還加強了PCB布局，以進一步減少激光驅動器部分的延遲時間。PCB布局在激光傳輸路徑的開關行為中起著重要作用，尤其是在此類多電源係統中，必須提供25V給激光二極管和GaN FET
，提供5V給激光柵極驅動器，並提供3.3V給MCU係統
，用於LD觸發脈衝的生成。此外，GND板的設計對於通過使用最佳信號返回路徑，進行快速切換和優化傳輸延遲也至關重要。

此外，該方案還采用安森美的矽光電倍增管（SiPM）RD係列替代傳統的雪崩光電二極管（APD），進一步提升Rx響應時間。SiPM中的FAST OUT端子可提供小於500皮秒的上升時間響應，比APD標準輸出端子低50%。

在Tx和Rx路徑檢測器係統中，可以使用更快的比較器進一步改善Rx響應時間。比較器電路用於將模擬的Rx和Tx信號，轉換成TDC脈衝開始和脈衝停止輸入以進行時序計算
，因此比較器的傳播延遲對影響測量精度也相當關鍵。使用ADI的ADPCM600快速比較器
，在30mV輸入信號電平下


，延遲時間僅為3納秒
，從而在LiDAR接收路徑中提供最佳延遲時間。 

行業領先的器件組成完整的解決方案

艾睿電子整個LiDAR ToF解決方案的關鍵組件包括作為75W 905nm不可見光脈衝激光二極管的ROHM RLD90QZW3激光二極管
、安森美的SiPM MicroRD-10035-MLP RD係列，以及ADI ADCMP600高速比較器是一個極快的TTL/CMOS比較器
，傳播延遲為5.5納秒，ADI HMC589AST89E高速放大器則是一個InGaP HBT增益模塊MMIC放大器（DC-4GHz）。

此外
，還有ADI LT®8330寬輸入電壓DC/DC升壓轉換器，可支持3V至40V輸入電壓，1A和60V開關升壓轉換器，以及ADI LT3082 200mA低噪聲低壓差穩壓器（LDO），NXP LPC546XX係列 32位ARM Contex-M4微控製器，以及TI TDC7201 TDC和Murata WMRAG32K76CS1C00R0 32.768 kHz MEMS諧振器，用於需要額外處理能力或機器學習的開發。

ROHM的激光二極管RLD90QZW3，是一款專為LiDAR所設計的75W紅外高光輸出激光二極管，用於AGV等應用3D ToF係統中的距離測量和空間識別服務。ROHM利用自有的器件開發技術，在等效光輸出下實現了前所未有的225μm發射寬度，這比傳統產品窄22%，改善了光束特性。

同時，均勻的發射強度和激光波長的低溫度依賴性，確保了性能的穩定性，將有助於在各種LiDAR應用中實現更高的精度和更遠的距離。此外，具有與標準產品（24A正向電流和75W輸出）相同的21%的功率轉換效率（與較窄的發射寬度進行權衡）

，可以在不增加功耗的情況下使用。 

ROHM也推出可用於激光二極管控製的參考設計
，包括能夠高速驅動的下一代器件EcoGANTM、GaN柵極驅動器BD2311NVX-C，以及有助於改善LiDAR傳感器特性（距離和分辨率）的GaN HEMT高速柵極驅動器。

安森美的SiPM是一種高增益
、單光子敏感傳感器，用於檢測可見光到近紅外波長。安森美推出的RB係列傳感器是R係列中第二個版本的SiPM。這些傳感器在電磁波譜的紅色和近紅外（NIR）區域進一步提高了靈敏度。

安森美目前還推出了新的SiPM陣列係列，ArrayRDM−0112A20−QFN是基於市場領先的RDM工藝的單片1 × 12 SiPM像素陣列。RDM工藝專門開發用於創建在905/940nm NIR波長下實現高PDE（光子檢測效率）的產品，這些產品通常用於LiDAR和3D dToF測距應用。 

安森美的SiPM陣列采用堅固的QFN封裝，可以訪問12個獨立像素。為了滿足汽車LiDAR應用的要求
，該產品符合AEC-Q102標準。

NXP的LPC546xx Arm Cortes M4 MCU係列則用於LiDAR係統，提供高達220 MHz的性能，支持以太網、一個TFT LCD控製器和兩個CAN FD模塊
，同時通過Cortex-M4在功能集成和功率效率之間取得適當的平衡，以實現100 µA/MHz的主動模式電流。 

對於需要更高級計算或機器學習的開發，NXP還提供了新的MCX N係列
，其雙Arm® Cortex®-M33內核運行頻率高達150 MHz。這個高級係列介紹了NXP設計的神經處理單元（NPU）的新實例。與單獨的CPU內核相比
，集成的NPU可提供高達30倍的機器學習（ML）吞吐量
，從而減少清醒時間並降低整體功耗。低功耗緩存增強了係統性能，雙組閃存和完整的ECC RAM可支持係統安全
，提供了額外的保護和保證層。

速度非常快的ADCMP600
、ADCMP601和ADCMP602則是采用ADI專有工藝XFCB2製造的比較器。該器件在3 mA典型電源電流下提供5 ns傳播延遲和10 mV過驅動。它非常適合用於時間關鍵型應用，例如TOF測量和LiDAR應用。

ADI的LT8330是一款電流模式DC/DC轉換器，能夠使用單個反饋引腳產生正或負輸出電壓。它可以配置為升壓

、SEPIC或反相轉換器，靜態電流消耗低至6µA。低紋波突發模式操作可在極低輸出電流的情況下保持高效率，同時在典型應用中，將輸出紋波保持在15mV以下。

由Murata推出的車載片狀多層陶瓷電容器，是汽車動力係統和安全裝置的理想選擇。該產品可用於安全裝置，例如發動機ECU、安全氣囊和ABS的驅動係統控製。即使在溫度循環和濕度負載測試中，該產品也通過了比一般產品（GRM係列）更嚴格的測試條件。該陶瓷電容器可在125℃和150℃溫度下使用，並還提供可用於發動機室的150℃產品係列，此外

，該陶瓷電容器還采用了外電極鍍錫
，具有優良的可焊性。

結語

隨著深度傳感的應用領域越來越廣，LiDAR也逐漸降到可接受的價格範圍，使得相關產品的市場發展空間逐漸擴大。由艾睿電子推出的LiDAR ToF解決方案，采用了來自ROHM
、安森美
、ADI、Murata等行業領先的器件，使其擁有絕佳的性能表現，值得有興趣投入相關產品開發的廠家深入了解與采用。

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