Introduzione: Il ruolo critico degli ADC ad alta velocità in 3D Imaging e Lidar

Ad alta velocità Analog-to-Digital Converter (ADCs) si formano la spina dorsale dei moderni sistemi di imaging 3D e rilevamento della luce e di classificazione (Lidar) che si basano sulla rapida e accurata conversione dei segnali analogici, che potrebbero essere convertiti in impulsi laser o modelli di luce strutturati, in dati digitali che possono essere elaborati per creare mappe spaziali precise, nubi di punto o modelli 3D.

Mentre Lidar si sposta dalle piattaforme di ricerca iniziali ai prodotti di mercato di massa per i sistemi di assistenza al conducente automobilistico (ADAS), i droni e la mappatura mobile, le richieste sulla velocità, la risoluzione e l'efficienza energetica ADC si sono intensificate. Un sistema tipico di Lidar può richiedere tassi di campionamento superiori a diversi giga-samples per secondo (GSPS) mantenendo 10-14 bit di risoluzione efficace.

Sfide chiave in ADC Design ad alta velocità per l'Imaging 3D e Lidar

Sviluppare ADC che soddisfano le rigorose esigenze dei sistemi di imaging 3D e Lidar comporta il superamento di diverse barriere fondamentali.

Tassi di campionamento estreme contro Risoluzione

Per catturare dettagli fini in un impulso di ritorno di Lidar, come il tempo di aumento, l'ampiezza di picco e le riflessioni multi-percorso, il convertitore deve campionare a tassi che sono molte volte la larghezza di banda del segnale.

Questa sfida è particolarmente acuta in flash Lidar e monofoton diode valanga (SPAD), dove migliaia di ADC devono operare in parallelo. L'area e i vincoli di potenza di un sistema multicanale spesso costringe i progettisti a scegliere risoluzioni inferiori (ad esempio, 8-10 bit) o ad utilizzare tecniche di time-interleaving, che portano il proprio set di requisiti di calibrazione.

Limitazioni di larghezza di banda nell'estremità anteriore analogica

Prima che l'ADC dia una cifra di segnale, il front end analogico, amplificatori, filtri e circuiti di campionamento, deve mantenere fedelmente la forma d'onda.

Consumo di energia e gestione termica

Un convertitore a 10 bit, 10 GSPS può dissipare diverse centinaia di milliwatt a oltre un watt. In un sistema Lidar con 64 o 128 canali, il consumo di corrente aggregato ADC può superare i 100 watt, portando a gravi problemi di gestione termica. Eccessiva efficienza termica degrada le prestazioni dei semiconduttori, aumenta le correnti di perdita e riduce le vite dei componenti.

Orologio di campionamento Jitter e rumore di fase

Anche un perfetto ADC produrrà errori se l'orologio di campionamento non è stabile. Il jitter di apertura - le variazioni di tempo casuali nel campionamento istantaneo - converte direttamente al rumore di tensione all'uscita ADC, soprattutto per i segnali di ingresso ad alta frequenza.

Conto di dati e Interfaccia

Un convertitore 10 bit 10 GSPS produce 100 Gbps dati grezzi, troppo per un'interfaccia LVDS parallela tradizionale. Anche con più corsie di interfacce seriali ad alta velocità come JESD204B/C, la velocità aggregata dei dati può spingere i limiti della FPGA o ASIC che riceve e elabora i segnali digitalizzati.

Soluzioni innovative e approcci ingegneristici

Nonostante le formidabili sfide, sono stati compiuti progressi significativi attraverso una combinazione di innovazioni nell'architettura dei circuiti, processi avanzati di semiconduttori e tecniche di calibrazione digitale.

Architetture ADC interlasciate nel tempo

I valori di riferimento di ADC identici sono quelli di ADC in parallelo, ogni campionamento ad un tasso fs/M, la frequenza di campionamento globale diventa fs. Questa tecnica è stata utilizzata per ottenere ADC monochip con tassi di campionamento superiori a 100 GSPS in ambienti di ricerca.

Pipeline e SAR Architettura ibride

I sistemi di amplificazione a bassa risoluzione dei tubi sono stati a lungo il cavalletto di lavoro per la conversione ad alta velocità e moderata (da 10 a 14 bit fino a 1 GSPS). Ogni fase risolve alcuni bit e poi converte i residui, permettendo l'uso di amplificatori ad alta guadagno che sono potenti ma accurati.

Materiali e scala di processo avanzati dei semiconduttori

La tecnologia di semiconduttore influisce profondamente sulle prestazioni ADC. L'integrazione avanzata di FinFET CMOS a 7 nm e 5 nm nodi offre una velocità e una densità digitali eccezionali, che è utile per la calibrazione e la memoria, ma le prestazioni analogiche (aumento di frequenza, corrispondenza) si degradano a questi nodi.

Calibrazione digitale e correzione degli errori

La calibrazione digitale è diventata un fattore critico per gli ADC ad alta velocità. I circuiti possono essere progettati con una precisione analogica rilassata, lasciando la correzione agli algoritmi digitali. Ad esempio, la calibrazione del comparatore usa una sorgente corrente controllata digitalmente per evitare errori. La correzione della linearità può essere eseguita con metodi basati su primo piano o su sfondo istogramma che misurano la non linearità integrale (INL) e applicano la mappatura digitale.

Tecniche di ottimizzazione del potere

Per gestire il consumo energetico, gli ADC moderni ad alta velocità utilizzano una varietà di tecniche. I comparatori dinamici che consumano solo energia durante gli eventi di confronto, al contrario degli amplificatori statici, riducono la potenza media. La scalatura della tensione di alimentazione è comune: il core ADC è operativo a basse tensioni (ad esempio, 0,9 V) mentre si utilizzano dei regolatori separati per i buffer di ingresso e la distribuzione dell'orologio.

Interfacce e standard di protocollo ad alta velocità

Per gestire il disgelo dei dati, l'industria ha standardizzato le interfacce seriali ad alta velocità. JESD204B/C, originariamente sviluppato per i transceivers a banda larga, è ora l'interfaccia dominante per ADC ad alta velocità sopra 1 GSPS. Supporta i tempi di corsia fino a 12,5 Gbps (JESD204B) o anche 32 Gbps (JESD204C), utilizzando 8b/10b o 64b

Prospettive future: ADC ad alta velocità di generazione per l'Imaging 3D e Lidar

L'evoluzione degli ADC ad alta velocità è tutt'altro che eccessiva: mentre i sistemi Lidar spingono verso una risoluzione più elevata, una gamma più lunga e un costo più basso, stanno emergendo nuovi paradigmi ADC.

Calibrazione e correzione assistita dall'AI

Le reti neurali possono essere addestrate offline per compensare non linearità, effetti di memoria e deriva della temperatura, quindi impiegate su chip utilizzando motori a inferenza leggera. L'IA può anche ottimizzare il punto di funzionamento dell'ADC in tempo reale, regolare le correnti di polarizzazione e le fasi dell'orologio per mantenere le prestazioni attraverso i cambiamenti ambientali.

ADC fotonici per applicazioni ultra-Broadband

Per i sistemi Lidar che utilizzano le larghezze di banda estremamente larghe (ad esempio, FMCW con centinaia di GHz o tecniche di time-stretch ottiche), gli ADC elettronici possono essere sostituiti da convertitori analogici fotonici a digitale.

Integrazione con Lidar Front-End Electronics

Per ridurre i costi, le dimensioni e la potenza, l'ADC viene integrato direttamente con la catena del ricevitore Lidar, inclusi i fotodetectori, gli amplificatori di transimpedenza e i circuiti di temporizzazione, in un modulo singolo chip o multichip.

Convertitori di tempo a digitale come alternativa in tempo di luce Lidar

Per l'analisi diretta del tempo di volo, il Lidar deve solo misurare il tempo di arrivo di un impulso rilevato, un convertitore temporale-digitale (TDC) può sostituire un ADC ad alta velocità. I TDC offrono una risoluzione di tempi estremamente elevata (fino a picosecondi singoli) con un basso potere, ma non forniscono informazioni sull'ampiezza.

Conclusioni

Le sfide del raggiungimento dei tassi di campionamento oltre 10 GSPS con una risoluzione sufficiente, una bassa potenza e robuste estremità analogiche sono in corso di soddisfare attraverso una combinazione di interleaving-tempo, architetture ibride, processi avanzati di semiconduttore e calibrazione digitale sofisticata.

Per ulteriori informazioni, vedere ]Le architetture ADC ad alta velocità di Analog Devices[], [] Guida degli strumenti di Texas ai ADC interconnessi[], e ]IeEE’s sondaggio delle tecniche di calibrazione ADC.