深入解析先进的深度传感凯发app官网登录的解决方案 -凯发app官网登录
当今市场上许多应用都要求具有深度传感的精确测量能力，包括工业、消费和汽车领域，产品种类包括自动导引车（agv）、扫地机器人、无人机、自动驾驶汽车等，极具市场发展潜力。本文将为您介绍深度传感技术的原理，以及由艾睿电子推出的lidar（激光雷达）参考设计，以及该方案中采用的rohm、安森美（onsemi）、adi、murata等关键器件的产品特性。
拥有各自优缺点的深度传感技术
想要进行深度传感应用，当前已经有许多不同的深度传感方法，包括使用标准cmos图像传感器的方法进行立体三角测量、相位检测像素和结构光等方式。
使用立体三角测量方式来测量距离，是通过对来自两个不同摄像机的接收光进行三角测量来获得的，经过比较摄像机拍摄的图像之间物体位置的差异，可以计算出摄像机到物体之间的距离。采用立体三角测量方式具有被动方法、采用标准图像传感器的优点，但也有需要使用2个摄像机、最大距离取决于摄像机之间的距离，并高度依赖光照条件，以及需要计算的成本等缺点。
相位检测像素方式是使用单个摄像机来获取场景中点的距离，图像传感器在像素级别下，通过在不同位置具有遮光罩的像素对所接收到的光的相位差，或通过使用同一微透镜下的多个光电二极管来计算深度，像是iphone相机的自动对焦，便是采用此技术。相位检测像素方式具有采用被动方法与标准图像传感器的优点，但也有深度分辨率差、高度依赖光照条件、需要计算的成本、短距离等缺点。
结构光则是使用具有传统cmos图像传感器的摄像机，来分析接收到的红外光图案，并用场景中的失真来计算深度，图案的失真可用于获取物体的3d形状。结构光具有适合短距离的优点，但也有必须采用主动方法、对环境光敏感、深度误差将随距离增加、不适合长距离等缺点，适合应用于人脸识别。
lidar拥有较高的深度传感能力
由于lidar拥有高深度和角分辨率，使其具有优于替代方法的较高深度传感能力，并且由于其使用红外光发射器和接收器的主动方法，因此能够在所有光照条件下运行。lidar已经广泛部署在许多不同的市场，用于各种应用和用例，包括汽车、工业、机器人以及消费型增强现实和虚拟现实（ar/vr）等应用。
通常，lidar会采用直接飞行时间（dtof）测量技术，它计算发射信号与其返回回波之间的时间延迟，另一种方法是间接飞行时间（itof），这两种方法都可以使用脉冲或连续调制来实行。
用于脉冲tof系统的lidar凯发app官网登录的解决方案
为了加快客户产品的开发速度，艾睿电子的openlab推出脉冲dtof lidar凯发app官网登录的解决方案的参考设计。艾睿电子的lidar tof凯发app官网登录的解决方案针对范围／距离测量，因此采用脉冲tof系统，lidar tof系统的信号处理部分采用时间数字转换器（tdc）或模数转换器（adc）距离估算方法，基于tdc的方法使用高精度时钟器件将开始／停止事件计数为时间差，而基于adc的方法定期测量和数字化返回信号，然后估计时间差。
此lidar tof系统的距离分辨率与模拟部件（激光二极管、激光驱动器、低噪声放大器和光电探测器）的组合上升时间和响应时间成反比。基于tdc的方法可以解决模拟域的分辨率问题，而基于adc的方法可以通过一些复杂的数字返回信号检测方案，以及复杂的基带系统和软件来解决一些问题。
艾睿电子的lidar tof凯发app官网登录的解决方案选择基于tdc的方法，更多地关注模拟硬件设计，以实现更好的上升时间和响应行为，从而在艾睿电子的lidar凯发app官网登录的解决方案中实现最佳距离检测应用。
使用脉冲式tof系统时，会使用905nm的波长，因为905nm系统（红外线）更适合可达75w的最大光功率。相反地，650nm激光（可见红光）一般无法实现上电脉冲操作，最大光功率约100mw。
窄脉冲操作可扩大操作范围
在艾睿电子lidar tof凯发app官网登录的解决方案的硬件设计中，采用了rohm的方案来实现模拟域lidar性能最优的方法。为了缩短激光触发脉冲，艾睿电子的lidar tof凯发app官网登录的解决方案中使用了rohm rld90qzw3脉冲激光二极管，它可以支持窄脉冲操作，脉冲宽度为15纳秒，而传统lidar凯发app官网登录的解决方案中常用的脉冲宽度为30纳秒。通过将脉冲宽度减小50%，可以在相同的工作条件下提供更高的光功率，从而扩大了工作范围。
通过使用这种短脉冲宽度，艾睿电子的lidar tof凯发app官网登录的解决方案支持多脉冲操作，可以提高测量精度，并通过对多次测量进行平均或统计分析，来消除环境噪声和干扰。该凯发app官网登录的解决方案还在激光二极管中使用gan fet以实现更快的切换，从而进一步提高传输延迟效率。采用gan fet晶体管用于替代传统的mosfet晶体管，可提供快10倍的开关行为，从而缩短激光传输路径的上升时间。
该凯发app官网登录的解决方案还加强了pcb布局，以进一步减少激光驱动器部分的延迟时间。pcb布局在激光传输路径的开关行为中起着重要作用，尤其是在此类多电源系统中，必须提供25v给激光二极管和gan fet，提供5v给激光栅极驱动器，并提供3.3v给mcu系统，用于ld触发脉冲的生成。此外，gnd板的设计对于通过使用最佳信号返回路径，进行快速切换和优化传输延迟也至关重要。
此外，该方案还采用安森美的硅光电倍增管（sipm）rd系列替代传统的雪崩光电二极管（apd），进一步提升rx响应时间。sipm中的fast out端子可提供小于500皮秒的上升时间响应，比apd标准输出端子低50%。
在tx和rx路径检测器系统中，可以使用更快的比较器进一步改善rx响应时间。比较器电路用于将模拟的rx和tx信号，转换成tdc脉冲开始和脉冲停止输入以进行时序计算，因此比较器的传播延迟对影响测量精度也相当关键。使用adi的adpcm600快速比较器，在30mv输入信号电平下，延迟时间仅为3纳秒，从而在lidar接收路径中提供最佳延迟时间。
行业领先的器件组成完整的凯发app官网登录的解决方案
艾睿电子整个lidar tof凯发app官网登录的解决方案的关键组件包括作为75w 905nm不可见光脉冲激光二极管的rohm rld90qzw3激光二极管、安森美的sipm micrord-10035-mlp rd系列，以及adi adcmp600高速比较器是一个极快的ttl/cmos比较器，传播延迟为5.5纳秒，adi hmc589ast89e高速放大器则是一个ingap hbt增益模块mmic放大器（dc-4ghz）。
此外，还有adi lt®8330宽输入电压dc/dc升压转换器，可支持3v至40v输入电压，1a和60v开关升压转换器，以及adi lt3082 200ma低噪声低压差稳压器（ldo），nxp lpc546xx系列 32位arm contex-m4微控制器，以及ti tdc7201 tdc和murata wmrag32k76cs1c00r0 32.768 khz mems谐振器，用于需要额外处理能力或机器学习的开发。
rohm的激光二极管rld90qzw3，是一款专为lidar所设计的75w红外高光输出激光二极管，用于agv等应用3d tof系统中的距离测量和空间识别服务。rohm利用自有的器件开发技术，在等效光输出下实现了前所未有的225μm发射宽度，这比传统产品窄22%，改善了光束特性。
同时，均匀的发射强度和激光波长的低温度依赖性，确保了性能的稳定性，将有助于在各种lidar应用中实现更高的精度和更远的距离。此外，具有与标准产品（24a正向电流和75w输出）相同的21%的功率转换效率（与较窄的发射宽度进行权衡），可以在不增加功耗的情况下使用。
rohm也推出可用于激光二极管控制的参考设计，包括能够高速驱动的下一代器件ecogantm、gan栅极驱动器bd2311nvx-c，以及有助于改善lidar传感器特性（距离和分辨率）的gan hemt高速栅极驱动器。
安森美的sipm是一种高增益、单光子敏感传感器，用于检测可见光到近红外波长。安森美推出的rb系列传感器是r系列中第二个版本的sipm。这些传感器在电磁波谱的红色和近红外（nir）区域进一步提高了灵敏度。
安森美目前还推出了新的sipm阵列系列，arrayrdm−0112a20−qfn是基于市场领先的rdm工艺的单片1 × 12 sipm像素阵列。rdm工艺专门开发用于创建在905/940nm nir波长下实现高pde（光子检测效率）的产品，这些产品通常用于lidar和3d dtof测距应用。
安森美的sipm阵列采用坚固的qfn封装，可以访问12个独立像素。为了满足汽车lidar应用的要求，该产品符合aec-q102标准。
nxp的lpc546xx arm cortes m4 mcu系列则用于lidar系统，提供高达220 mhz的性能，支持以太网、一个tft lcd控制器和两个can fd模块，同时通过cortex-m4在功能集成和功率效率之间取得适当的平衡，以实现100 µa/mhz的主动模式电流。
对于需要更高级计算或机器学习的开发，nxp还提供了新的mcx n系列，其双arm® cortex®-m33内核运行频率高达150 mhz。这个高级系列介绍了nxp设计的神经处理单元（npu）的新实例。与单独的cpu内核相比，集成的npu可提供高达30倍的机器学习（ml）吞吐量，从而减少清醒时间并降低整体功耗。低功耗缓存增强了系统性能，双组闪存和完整的ecc ram可支持系统安全，提供了额外的保护和保证层。
速度非常快的adcmp600、adcmp601和adcmp602则是采用adi专有工艺xfcb2制造的比较器。该器件在3 ma典型电源电流下提供5 ns传播延迟和10 mv过驱动。它非常适合用于时间关键型应用，例如tof测量和lidar应用。
adi的lt8330是一款电流模式dc/dc转换器，能够使用单个反馈引脚产生正或负输出电压。它可以配置为升压、sepic或反相转换器，静态电流消耗低至6µa。低纹波突发模式操作可在极低输出电流的情况下保持高效率，同时在典型应用中，将输出纹波保持在15mv以下。
由murata推出的车载片状多层陶瓷电容器，是汽车动力系统和安全装置的理想选择。该产品可用于安全装置，例如发动机ecu、安全气囊和abs的驱动系统控制。即使在温度循环和湿度负载测试中，该产品也通过了比一般产品（grm系列）更严格的测试条件。该陶瓷电容器可在125℃和150℃温度下使用，并还提供可用于发动机室的150℃产品系列，此外，该陶瓷电容器还采用了外电极镀锡，具有优良的可焊性。
结语
随着深度传感的应用领域越来越广，lidar也逐渐降到可接受的价格范围，使得相关产品的市场发展空间逐渐扩大。由艾睿电子推出的lidar tof凯发app官网登录的解决方案，采用了来自rohm、安森美、adi、murata等行业领先的器件，使其拥有绝佳的性能表现，值得有兴趣投入相关产品开发的厂家深入了解与采用。