Вызовы и решения для высокоскоростных устройств в 3d-визуализации и лидарных системах

Введение: Критическая роль высокоскоростных ADC в 3D-изображении и лидаре

Высокоскоростные аналого-цифровые преобразователи (ADC) составляют основу современных систем 3D-изображения и обнаружения и ранжирования света (Lidar). Эти системы полагаются на быстрое, точное преобразование аналоговых сигналов - отраженных лазерных импульсов или структурированных световых паттернов - в цифровые данные, которые могут быть обработаны для создания точных карт глубины, облаков точек или 3D-моделей. Без высокоскоростных ADC производительность в реальном времени и пространственное разрешение, необходимые для таких приложений, как автономная навигация, промышленная робототехника и мониторинг окружающей среды, были бы невозможны.

По мере перехода Lidar с ранних исследовательских платформ на продукты массового рынка для автомобильных систем помощи водителю (ADAS), беспилотных летательных аппаратов и мобильного картирования требования к скорости ADC, разрешению и энергоэффективности усилились. Типичная система Lidar может потребовать скорости выборки, превышающей несколько гига-образцов в секунду (GSPS), сохраняя при этом 10-14 бит эффективного разрешения. Эта комбинация скорости и точности раздвигает границы CMOS, BiCMOS и сложных полупроводниковых технологий. Инженеры сталкиваются со сложным набором компромиссов: более высокие скорости выборки увеличивают шум и чувствительность к трению, в то время как большие полосы пропускания требуют большей мощности и сложной калибровки. В этой статье рассматриваются основные проблемы при разработке высокоскоростных ADC для 3D-изображения и Lidar, инновационные решения, которые решают эти препятствия, и будущие тенденции, которые обещают изменить поле.

Ключевые проблемы в высокоскоростном ADC-дизайне для 3D-визуализации и лидара

Разработка ADC, которые отвечают строгим требованиям 3D-изображений и лидарных систем, включает в себя преодоление нескольких фундаментальных барьеров. Ниже приведены наиболее важные проблемы, каждый из которых имеет значительные последствия для производительности системы.

Экстремальные показатели выборки vs. Резолюция

Фундаментальное напряжение в любом ADC находится между скоростью отбора проб и разрешением. Чтобы захватить мелкие детали в обратном импульсе Lidar - такие как время подъема, пиковая амплитуда и многолучевые отражения - преобразователь должен отбирать со скоростью, которая во много раз превышает полосу пропускания сигнала. Для типичной системы времени полета Lidar с шириной импульса от 1 GSPS до 10 GSPS являются общими, но достижение этих скоростей при 12-битном или 14-битном разрешении чрезвычайно трудно. На высоких скоростях двусмысленность компаратора и джиттер диафрагмы вводят значительные ошибки, которые ухудшают отношение сигнала к шуму (SNR) и эффективное количество битов (ENOB). Каждое удвоение скорости отбора проб обычно стоит по крайней мере один бит разрешения из-за теплового шума и метастабильности на стадии компаратора.

Эта проблема особенно остро стоит в флеш-лидарных и однофотонных лавинодиодных (SPAD) массивах, где тысячи АЦП должны работать параллельно.Ограничения площади и мощности многоканальной системы часто заставляют проектировщиков выбирать более низкие разрешения (например, 8-10 бит) или использовать методы усложнения времени, которые приносят свой собственный набор требований к калибровке.

Ограничения пропускной способности в аналоге фронта

Перед тем, как ADC оцифрует сигнал, аналоговый передний конец, включающий усилители, фильтры и схемы выборки и удержания, должен добросовестно сохранять форму волны. Широкополосные сигналы от быстрых лазерных импульсов или модулированных непрерывных волн (FMCW) Лидар может легко превышать несколько гигагерц полосы пропускания. Поддержание плоской частотной реакции, низкая вариация групповой задержки и минимальное искажение по таким полосам пропускания является огромной проблемой проектирования. Паразитические емкости и индуктивности в пакете, проводах связи и маршрутизации на чипе становятся значительными на высоких частотах, вызывая пик или скатывание, которое повреждает сигнал. Многие высокоскоростные ADC производятся в продвинутых процессах BiCMOS с кремниевым германием (SiGe), которые обеспечивают баланс между скоростью, шумом и интеграцией, но даже эти процессы имеют ограничения при попытке реализовать широкополосные входные сети, которые также должны обрабатывать большие колебания напряжения без насыщения.

Потребление энергии и тепловое управление

Высокоскоростные АЦП являются энергоемкими компонентами. Один 10-битный 10-гигабитный преобразователь GSPS может рассеивать несколько сотен милливатт до более чем ватт. В системе Lidar с 64 или 128 каналами совокупное энергопотребление АЦП может превышать 100 ватт, что приводит к серьезным проблемам управления температурой. Чрезмерное тепло ухудшает производительность полупроводников, увеличивает токи утечки и сокращает срок службы компонентов. Более того, в автомобильных и беспилотных приложениях весь набор датчиков должен работать в рамках строгих бюджетов мощности. Это заставляет дизайнеров рассматривать компромисс между скоростью отбора проб и энергоэффективностью, часто используя такие методы, как динамическое масштабирование мощности, низковольтная работа или гибридные архитектуры, которые запускают определенные этапы с более низкими скоростями.

Часовой джиттер и фазовый шум

Даже совершенный ADC будет производить ошибки, если часы выборки не стабильны. Двигатель диафрагмы - случайные изменения времени в моменте выборки - непосредственно преобразует в шум напряжения на выходе ADC, особенно для высокочастотных входных сигналов. Для входа 1 ГГц 1 пикосекунда джиттера RMS может уменьшить SNR до менее 50 дБ, серьезно ограничивая динамический диапазон, необходимый для приложений Lidar дальнего действия. Поэтому генерация часов и распределительная сеть должны быть разработаны с особой осторожностью, часто с использованием фазовых циклов с ультранизким джиттером (PLL), внешних опорных часов и выделенных тактовых драйверов, которые отделены от шумной цифровой схемы. Jitter становится еще большей проблемой при использовании ADC с временными интервалами, потому что несоответствия между подконвертерами могут создавать ложные тона, которые ухудшают общий динамический диапазон без ложных сигналов (SFDR).

Пропускная способность данных и узкие места интерфейса

Высокоскоростные АЦП генерируют огромные объемы данных. 10-битный 10-гигабитный преобразователь GSPS производит 100 Гбит/с сырых данных - слишком много для традиционного параллельного интерфейса LVDS. Даже с несколькими полосами высокоскоростных последовательных интерфейсов, таких как JESD204B/C, совокупная скорость передачи данных может раздвинуть границы FPGA или ASIC, которые принимают и обрабатывают оцифрованные сигналы. Система должна включать методы сокращения данных, такие как усреднение на чипе, обнаружение импульсов или сжатие, чтобы избежать подавляющего бэкэнда. В системах Lidar рабочий цикл лазерных импульсов часто низок, что позволяет оцифровывать ADC в режиме вспышки, которые оцифровываются только во время ограниченного окна, но это добавляет сложность синхронизации и управления данными.

Инновационные решения и инженерные подходы

Несмотря на огромные трудности, значительный прогресс был достигнут благодаря сочетанию инноваций в архитектуре цепей, передовых полупроводниковых процессов и методов цифровой калибровки. В настоящее время внедряются или активно исследуются следующие решения.

Архитектура ADC с временными интервалами

Временное перемешивание является наиболее прямым методом увеличения скорости отбора проб без ущерба для разрешения преобразователя. При параллельном использовании M идентичных ядер ADC, каждая выборка со скоростью fs/M, общая скорость отбора проб становится fs. Этот метод использовался для достижения однокристальных ADC с частотой отбора проб, превышающей 100 GSPS в исследовательских средах. Однако несоответствие между каналами - зачет, усиление, перекос времени и вариации полосы пропускания - создает ложные тона, которые должны быть исправлены. Современные временные перемежающиеся ADC включают фоновые цифровые алгоритмы калибровки, которые непрерывно оценивают и отменяют эти несоответствия. Некоторые конструкции используют эталонный ADC для измерения перекоса времени, в то время как другие используют адаптивные фильтры, которые минимизируют мощность в известных частотных бункерах. При тщательной калибровке значения ENOB, близкие к значениям одного канала, могут поддерживаться даже для высоких коэффициентов перемешивания (например, 16, 32 или 64 канала).

Трубопровод и гибридные архитектуры SAR

Трубопроводные АЦП уже давно являются рабочей лошадкой для высокоскоростного преобразования с умеренным разрешением (10-14 бит при до 1 GSPS). Каждая ступень разрешает несколько битов, а затем преобразует остаток, позволяя использовать усилители с высокой долей мощности, которые являются энергоемкими, но точными. Совсем недавно появились гибридные архитектуры, которые сочетают в себе сильные стороны трубопровода и последовательные аппроксимирующие регистры (SAR) ADC. В трубопроводе-SAR ADC используются маломощные SAR-преобразователи для грубых стадий и высокодоходной стадии трубопровода для тонкого квантования, достигая как скорости, так и энергоэффективности. Например, 12-битный 4 GSPS ADC может использовать две стадии SAR, за которыми следует трубопроводный бэкэнд, используя быстрое оседание SAR и высокое разрешение усиления трубопровода.

Расширенные полупроводниковые материалы и масштабирование процессов

Выбор полупроводниковой технологии глубоко влияет на производительность ADC. Advanced FinFET CMOS на 7 нм и 5 нм узлах предлагает исключительную цифровую скорость и плотность, что выгодно для калибровки и памяти, но аналоговая производительность (внутренний прирост, соответствие) ухудшается на этих узлах. Для чистой аналоговой скорости SiGe BiCMOS с высокой fT (например, > 350 ГГц) остается популярной для микроволновых ADC, требующих широкой входной полосы пропускания и низкого джиттера. Технологии арсенида галлия (GaAs) и фосфида индия (InP) обеспечивают еще более высокую мобильность электронов, позволяя частоту дискретизации выше 100 GSPS, но при значительно более высокой стоимости и более низких уровнях интеграции. В системах Lidar, где несколько каналов должны быть интегрированы с оптикой и лазерами, отраслевая тенденция направлена на передовые платформы CMOS или BiCMOS, которые могут включать цифровую калибровку, память и высокоскоростной последовательный ввод / вывод на одном и том же кристалле.

Цифровая калибровка и исправление ошибок

Цифровая калибровка стала критическим фактором для высокоскоростных АЦП. Циркуты могут быть спроектированы с расслабленной аналоговой точностью, оставляя коррекцию цифровым алгоритмам. Например, компараторная офсетная калибровка использует цифровой контролируемый источник тока для устранения несоответствий. Корректировка линейности может быть выполнена с помощью методов на переднем или фоновом гистограммном уровне, которые измеряют интегральную нелинейность (INL) и применяют цифровое картирование. Сроки перекоса в интерлейвированных по времени преобразователях корректируются с помощью фильтра с дробным задерживанием, коэффициенты которого адаптированы по корреляционным схемам. Некоторые передовые конструкции включают методы машинного обучения для прогнозирования и отмены шумовых паттернов, дальнейшего улучшения эффективного разрешения. Тенденция к самокалибровке АЦП, которые питают, калибруют и непрерывно адаптируются к воздействию температуры и старения, сохраняя высокую производительность без ручного вмешательства.

Техники оптимизации мощности

Для управления энергопотреблением современные высокоскоростные АЦП используют самые разные методики. Динамические компараторы, потребляющие мощность только во время сравнительных событий, в отличие от статических усилителей, снижают среднюю мощность. Широко распространено масштабирование напряжения питания: работа ядра АЦП при более низких напряжениях (например, 0,9 В) при использовании отдельных регуляторов для входных буферов и распределения часов. Перераспределение заряда SAR АЦП устраняет необходимость в энергоемких ОЦП и эффективном разделении заряда. Другой подход заключается в использовании двухступенчатой архитектуры, где грубое квантование выполняется при малой мощности, и только остаток обрабатывается более мощным током АЦП. В системах Lidar с разреженными обратными сигналами дежурный цикл АЦП (выключение его между лазерными импульсами) может резко снизить среднюю мощность, хотя для этого требуется быстрое время пробуждения и тщательное время.

Высокоскоростные интерфейсы данных и стандарты протоколов

Для обработки потока данных промышленность стандартизировала высокоскоростные последовательные интерфейсы. JESD204B/C, первоначально разработанный для широкополосных приемопередатчиков, в настоящее время является доминирующим интерфейсом для высокоскоростных ADC выше 1 GSPS. Он поддерживает скорость полосы движения до 12,5 Гбит/с (JESD204B) или даже 32 Гбит/с (JESD204C), используя кодирование 8b/10b или 64b/66b для поддержания баланса постоянного тока и встроенного восстановления часов. ADC, которые реализуют JESD204C, могут мультиплексировать несколько каналов на одну дифференциальную пару, уменьшая количество контактов и сложность маршрутизации PCB. Интерфейс также включает детерминированную задержку для синхронной работы, критическую для многоканального лидара, где временные отношения между каналами должны быть сохранены. Некоторые современные ADC также включают сжатие данных на чипе, такое как подавление нулевого бита или округление фиксированной точки, чтобы дополнительно снизить требуемую скорость передачи данных, когда активность сигнала низкая.

Будущий прогноз: высокоскоростные ADC следующего поколения для 3D-визуализации и лидара

Эволюция высокоскоростных АЦП еще далека от завершения. По мере того, как системы Lidar будут двигаться к более высокому разрешению, большей дальности и более низкой стоимости, появляются новые парадигмы АЦП. Следующие тенденции будут определять будущее этой области.

AI-ассистированная калибровка и коррекция

Машинное обучение все чаще применяется к калибровке и коррекции ошибок ADC. Нейронные сети можно обучать офлайну для компенсации нелинейностей, эффектов памяти и температурных дрейфов, затем развертывать на чипе с помощью легких производных двигателей. ИИ также может оптимизировать рабочую точку ADC в режиме реального времени, регулируя токи смещения и фазы часов для поддержания производительности в условиях изменений окружающей среды. Такая адаптивная калибровка снижает запас аналоговой конструкции, позволяя ADC работать ближе к своим фундаментальным пределам при сохранении надежности.

Фотонные ADC для ультра-широкополосных приложений

Для лидарных систем, использующих чрезвычайно широкие полосы пропускания (например, FMCW с сотнями ГГц или оптическими методами растяжения времени), электронные ADC могут быть заменены фотонными аналого-цифровыми преобразователями. Фотонные ADC используют оптический выборочный и дивизионный мультиплексинг с разделением длин волн для достижения скорости до тера-образцов в секунду с низким джиттером. Пока эти устройства находятся на стадии исследования, эти устройства обещают будущие 3D-изображения с высоким разрешением, которые требуют мгновенной полосы пропускания, превышающей 100 ГГц. Гибридные электронно-фотонные системы также изучаются, где оптическая предварительная обработка снижает требования к полосе пропускания электронного ADC.

Интеграция с Lidar Front-End Electronics

Для снижения стоимости, размера и мощности ADC интегрируется непосредственно с цепочкой приемников Lidar, включая фотоприемники, усилители трансимпеданса и схемы синхронизации, в модуль с одним или несколькими чипами. Созревают платформы кремниевой фотоники, которые объединяют фотоприемники III-V с CMOS-электроникой, что позволяет каждому пикселю SPAD-массивов иметь индивидуальный ADC или переход от времени к цифре. Такая интеграция минимизирует паразитные эффекты и позволяет осуществлять передовую обработку, такую как цифровое формирование луча и сжатие на уровне пикселей.

Преобразователи времени в цифру как альтернатива в лидаре времени полета

Для прямого времени полёта лидара, который только должен измерять время прибытия обнаруженного импульса, преобразователь времени-цифры (TDC) может заменить высокоскоростной ADC. TDCs предлагают чрезвычайно высокое разрешение времени (до одиночных пикосекунд) с низкой мощностью, но они не предоставляют амплитудной информации. Однако, используя многоканальные TDC и гистограммирование, современные лидарные системы могут достичь точности диапазона, сравнимой с подходами на основе ADC. Выбор между ADC и TDC зависит от конкретной архитектуры лидара: FMCW и амплитудно-модулированные системы требуют ADC, в то время как импульсные системы времени полёта могут использовать TDC. Будущее может увидеть гибридные подходы, которые сочетают оба, используя TDC для грубого времени и ADC для тонкого амплитудного анализа формы импульса.

Заключение

Высокоскоростные ADC лежат в основе оболочки производительности для 3D-изображений и лидарных систем. Проблемы достижения скорости выборки за пределами 10 GSPS с достаточным разрешением, низкой мощностью и надежными аналоговыми передними концами решаются за счет сочетания усложнения времени, гибридных архитектур, передовых полупроводниковых процессов и сложной цифровой калибровки. По мере роста спроса на более высокое разрешение и более быстрые частоты кадров в автономных транспортных средствах, робототехнике и мобильном картировании дизайнеры ADC будут продолжать внедрять инновации. Интеграция ИИ, фотоники и более тесного совместного проектирования с цепями приемников Lidar обещает еще больше раздвинуть границы, позволяя следующее поколение высокоскоростного, высокоточного 3D-сенсоринга.

Для дальнейшего чтения см. Высокоскоростные архитектуры ADC Analog Devices , Руководство Texas Instruments по ADC с временным интервалом и IEEE по методам калибровки ADC .