1 應(yīng)用簡(jiǎn)報(bào)

引言

在汽車(chē)激光雷達(dá)和工業(yè)接近感應(yīng)等常見(jiàn)飛行時(shí)間 (ToF) 應(yīng)用中，從指定目標(biāo)反射的信號(hào)（回波）在振幅和脈沖寬度上各不相同。例如，光滑表面的反射效果優(yōu)于粗糙表面，而白色物體的反射效果優(yōu)于黑色物體。

圖 1 汽車(chē)激光雷達(dá)

使用高速放大器放大回波有助于將回波從本底噪聲中分離出來(lái)，但要實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的 ToF 測(cè)量，則需要使用具有超小輸入過(guò)驅(qū)分散的比較器。

圖 2 脈沖接收器電路

過(guò)驅(qū)分散挑戰(zhàn)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以針對(duì)不同環(huán)境條件（如溫度、濕度和中等密度或中等粘度）導(dǎo)致的 ToF 變化進(jìn)行校準(zhǔn)（偏斜消除），但是要實(shí)現(xiàn)精確的 ToF 測(cè)量，回波信號(hào)幅度及其相關(guān)的傳播延遲變化才是最大的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

圖 4 不同的信號(hào)強(qiáng)度

如前所述，不同的表面可能具有不同的反射特性。這意味著，即使物體與發(fā)射源之間的距離相同，所接收到回波的振幅也會(huì)有所不同。激光測(cè)距儀（接近檢測(cè)）工具（如圖 5 所示）也面臨著這一挑戰(zhàn)。使用過(guò)驅(qū)分散極小的高速比較器可以顯著減小這種信號(hào)強(qiáng)度變化造成的誤差，使得不管反射脈沖的幅度如何，系統(tǒng)都能準(zhǔn)確計(jì)算到物體的距離。由于沒(méi)有一種簡(jiǎn)單的解決方案可以根據(jù)不同的輸入過(guò)驅(qū)來(lái)校準(zhǔn)不同的傳播延遲時(shí)間，因此選擇具有極小輸入過(guò)驅(qū)分散的比較器非常重要。

圖 5 激光測(cè)距儀

應(yīng)對(duì)回波振幅不同挑戰(zhàn)的解決方案

解決方案似乎非常簡(jiǎn)單，那就是使用過(guò)驅(qū)分散極小的超快比較器。遺憾的是，超快比較器通常具有與 TDC7200 等許多現(xiàn)成時(shí)數(shù)轉(zhuǎn)換器 (TDC) 不兼容的輸出級(jí)。TLV3801 等超快比較器的傳播延遲在 225ps 范圍內(nèi)，過(guò)驅(qū)分散低至 5ps，但這種性能需要與低壓差分信號(hào) (LVDS) 兼容的專(zhuān)用輸出級(jí)。LVDS 是一種全差分協(xié)議，具有相對(duì)較低的振幅擺動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)高速響應(yīng)能力。遺憾的是，TDC 通常具有單端互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體 CMOS) 輸入級(jí)，非常適合具有推挽輸出的高速比較器。TLV3601 等器件具有 600ps 的過(guò)驅(qū)分散，但這也意味著系統(tǒng)現(xiàn)在需要能夠承受高達(dá) 600ps 的 ToF 測(cè)量變化。

好消息是，解決方案并沒(méi)有人們想象的那么困難。我們可以使用 TLV3801 等 LVDS 比較器的高速、超低過(guò)驅(qū)性能來(lái)將放大器級(jí)輸出的回波數(shù)字化，然后使用具有推挽輸出級(jí)的高速比較器（例如 TLV3601），將差分 LVDS 信號(hào)轉(zhuǎn)換為更易于使用的單端 CMOS 電平。

圖 6 LVDS 至單端轉(zhuǎn)換

結(jié)論

這種方法看起來(lái)存在矛盾，因?yàn)榫哂型仆燧敵黾?jí)的高速比較器由于過(guò)驅(qū)分散而導(dǎo)致誤差過(guò)大。然而，由于 TLV3601 從 TLV3801 接收以 1.2V 為中心的差分 LVDS 信號(hào)，因此信號(hào)路徑中沒(méi)有過(guò)驅(qū)分散貢獻(xiàn)（也就是說(shuō)，無(wú)論回波信號(hào)幅度如何，過(guò)驅(qū)電平始終相同，因?yàn)?TLV3801 已將其數(shù)字化）。在這個(gè)建議解決方案中，TLV3601 實(shí)際上就像是一個(gè) LVDS 到單端 CMOS 轉(zhuǎn)換器。LVDS TLV3801 能夠盡可能地減小 ToF 測(cè)量的過(guò)驅(qū)分散誤差，而 TLV3601 可將該信號(hào)轉(zhuǎn)換為與常見(jiàn) TDC 器件兼容。