Giriş: Yüksek Hızlı ADCs'nin 3D Görüntüleme ve Lidar'daki Eleştirel Rolü

Yüksek hızlı Analog- Dijital Paketler (ADC) modern 3D görüntüleme ve Işık Tespiti ve Ranging (Lidar) sistemleri ile ilgili hızlı, doğru analog sinyallerin dönüşümüne güvenmektedir - endüstriyel robotik ve çevresel izleme gibi uygulamalar için işlenebilir.

Lidar erken araştırma platformlarından, otomobil sürücüsü-assistance sistemleri için kitle pazarlama ürünlerine (ADAS), dronelar ve mobil haritalama, ADC hız, çözünürlük ve güç verimliliğine ilişkin talepler, sayısal Lidar sistemi, örnekleme oranlarının iki katına çıkarılmasını gerektirir.

High-Speed ADC Design for 3D Görüntüleme ve Lidar

3D görüntüleme ve Lidar sistemlerinin titiz talepleri ile tanışan ADC'ler, birkaç temel engeli içerir. Aşağıda sistem performansı için önemli sonuçlar vardır.

Aşırı Sampling Oranları vs. Çözümü

Herhangi bir ADC'deki temel gerginlik, örnekleme oranı ve karar verme arasındadır.Bir Lidar geri pulu ile iyi ayrıntıları yakalamak - 1 GSPS'nin 10 FPS'si gibi, bu oranları 12bit veya 14-bit çözünürlükte elde etmek çok zor. Yüksek hızlarda, komplikeli bir süre boyunca, komplikeli bir nanosaniye sinyalinin pulbi ve en az 10 GSPS'nin 10 FPS'nin ortalama hızlarının (örneğin, 12bit veya 14-bit çözünürlükte) hızları vermek.

Bu meydan okuma özellikle flaş Lidar ve tek foton avalanche diyot (SPAD) dizilerinde akut, binlerce ADC'nin paralel olarak çalışması gerektiği yerde. Çok kanallık bir sistemin elektrik kısıtlamaları genellikle daha düşük çözünürlükleri seçmek için zor tasarımcılardır (örneğin, 8-10 bitleri) veya zaman ayırma tekniklerini kullanmak için, kendi setlerini kendi kalibrasyon gereksinimlerine getiren.

Analog Cephe Sonundaki Band genişliği Sınırları

ADC sinyalini dijitalleştirmeden önce, analog cephe sonları - şok edici yükselteçleri, filtreler ve örnekleme devreleri - dalgalamaları sadık bir şekilde korumak için dalgalama işlemidir. Hızlı lazer pulları veya mod sürekli olarak ayarlanan dalgalar (FMCW) Lidar, çok fazla seslendiricileri, yüksek frekanslarda ve yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek hızlarda yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte.

Güç tüketimi ve ısı Yönetimi

Yüksek hızlı ADCs güçlendirici bileşenlerdir. Tek 10bit, 10 GSPS dönüştürücü, birkaç yüz miliwattı bir watta kadar ayırabilir. 64 veya 128 kanalla, aDC güç tüketimi 100 watt'ı aşabilir, ciddi bir termal yönetim sorunlarını dikkate alabilir. Aşırı ısı kesici performansları, sızıntı akımlarını ve kısa vadeli bileşenleri ömürleri artırır.

Sampling Clock Jitter ve Faz Gürültü

Mükemmel ADC bile, örnekleme saati stabil değilse hataları üretecektir. Aperture jitter – örnekleme anında dinamik aralıktaki değişiklikleri - ADC çıktısında gerilim gürültüsüne dönüşecektir, özellikle yüksek frekanslı giriş sinyalleri ile tasarlanmıştır. 1 GHz girişi için, 1 resimli döngüler (PLL) , dış referans saatlerini, uzun süreli Jrem uygulamaları için gerekli olan dinamik aralıkları zorlayabilir.

Data Throughput and Interface Şişenecks

Yüksek hızlı ADCs, JESD204B / C gibi çok sayıda veri toplama yöntemiyle, toplam veri oranı, sayısal sinyallerin aldığı 100 Gbps ham verileri – sayısallaştırılmış sinyallerin izin verdiği veya işlem yapan LVDS arayüzüne çok fazla şey verir. Sistem, JESD204B/C gibi çok sayıda şeritli, sert algılama, sıkıştırıcı veya seslendirme, yüksek çözünürlükte olan bir algılama yöntemiyle bile, yüksek çözünürlükte olan bir veri hızına sahiptir.In Lidar systems, lazer darbesi sırasındaki hızlama yöntemleri içerir.

Yenilikçi Çözümler ve Mühendislik Yaklaşımları

Mevcut zorluklara rağmen, önemli ilerleme devre mimarisi yenilikleri, gelişmiş yarı iletken süreçleri ve dijital kalibrasyon teknikleri ile yapılmıştır. Aşağıdaki çözümler şu anda aktif bir araştırma altında veya yürütülmektedir.

Zaman-Kontrol ADC Architectures

Zaman-interleaving, araştırma ortamlarında 100 FPS'yi feda etmeden örnekleme oranını artırmak için en doğrudan yöntemdir. Ancak, kanal arasında aynı ADC çekirdeği ile paralel olarak, her örnekleme bir hızdaki -rleyicileme oranı, düzeltmeli ve otomatik olarak, yüksek çözünürlükte kullanım için kullanılan bir dizi sayısal kesintiye yol açmalı.

Boru ve SAR Hybrid Architectures

Boru hatları ADC uzun zamandır yüksek hızlı, orta çözünürlüklü dönüşüm için iş birliği olmuştur (10-14 bitleri 1 GSPS'ye kadar). Her aşama bir kaç parça çözüyor ve sonra geri dönüş yükselticileri kullanıyor, yüksek çözünürlüklü yükselteçli aşamalar için yüksek performanslı SAR dönüştürücüler kullanıyor, daha yakın zamanda, iki hız ve güç kaydının güçlü bir şekilde birleştirilerek, ADC'nin iki hızlı bir şekilde tekrar dağıtımını gerçekleştirebiliyor.

Gelişmiş yarı iletken malzemeler ve Proses Scaling

Yarı iletken teknoloji seçimi ADC performansını derinden etkiler. Advanced FinFET CMOS 7 nm ve 5 nm düğümleri olağanüstü dijital hız ve yoğunluk sunar, bu geniş giriş bant genişliği ve düşük jitter gerektiren mikrodalga ADC'ler için de geçerlidir.

Dijital Kalibrasyon ve Hata Düzeltme

Dijital kalibrasyon, yüksek hızlı ADCs için kritik bir olasılık haline geldi. Devreler, sabit olmayan yöntemleri ölçen ve dijital haritalamayı amaçlayan temel yöntemlerle tasarlanmıştır. Örneğin, hesaplamalı devreler için dijital olarak kontrol edilen dönüştürücüler, yüksek çözünürlükte bir gecikmeli gecikmeler kullanılarak düzeltilebilir. Linearity düzeltmeleri, doğrusal olmayan bir şekilde optimize edilmiş bir şekilde daha iyileştirici bir şekilde optimize edilir.

Power Optimizasyon Teknikleri

Güç tüketimini yönetmek için, modern yüksek hızlı ADCs çeşitli teknikler kullanıyor. Dinamik komparlar, statik yükselteçlere karşı, ortalama güç. Supply voltaj ölçeklendirme yaygın: ADC çekirdeğinin daha düşük gerilimler (örneğin, 0.9 V) kullanımı, bir kovalama ve saat dağılımı için ayrı bir düzenleyiciler kullanmak için.

Yüksek Hız Data Interfaces ve Protokolü Standartları

Veri deluge'i ele almak için, endüstri yüksek hızlı seri arayüzlere standartlaşmıştır. JESD204B/C, başlangıçta geniş bant transceivers için gelişmiştir, şimdi DC bakiyesini korumak ve gömülü saat kurtarma için baskın arayüz. ADCs JESD204C, tek bir diferansiyel çifte kadar çok kanallık için gerekli olan hızları azaltır, pin sayıyı azaltır ve ekleyen bir şekilde genişletir.

Future Outlook: 3D Görüntüleme ve Lidar için Sonraki Hızlandırma Yüksek Hız ADCs

Yüksek hızlı ADC'lerin evrimi çok fazla. Lidar sistemleri daha yüksek çözünürlüke, daha uzun menzile ve daha düşük maliyete doğru itiyor gibi, yeni ADC paradigmaları ortaya çıkıyor.

AI-Assisted Kalibrasyon ve Düzeltme

Makine öğrenimi giderek ADC kalibrasyonuna ve hata düzeltmesine uygulanır. Neural ağları, çevresel değişikliklerle performans sağlamak için çevrimdışı eğitim verebilir, bellek etkileri ve sıcaklık kaymaları, ADC'nin aktif noktasını kullanarak ADC'nin çalışmasını sağlar.

Ultra-Broadband Uygulamaları için Fotonic ADCs

Lidar sistemleri için son derece geniş bant genişliği (örneğin, FMCW, yüzlerce GHz veya optik zaman-stretch tekniği ile), elektronik ADCs, gelecekteki yüksek çözünürlüklü 3D analog-dijik dönüştürücüler için yerini alabilir. Photonic ADCs, optik örnekleme ve dalgalama sistemleri de düşük jitter ile ikinci olarak düşük çözünürlükte hızlara ulaşırken, bu cihazlar hala araştırma aşamasında, gelecekteki yüksek çözünürlüklü 3D analog görüntüleyicileri gerektiren 3D görüntüleyicileri de araştırır.

Lidar Front-Bit Electronics ile entegrasyon

Maliyeti, boyutlarını ve gücünü azaltmak için, ADC doğrudan Lidar alıcı zinciri ile entegre ediliyor - bir SPAD serisinin her pikseli bireysel ADC veya zaman zaman dönüştürücü devreleri - tek-çizli veya çok-çizleyici bir modüle sahip olmak. Silikon fotonik platformları, 3-V fotodetectors ile bir araya getiriyor, her bir SPAD serisini bireysel ADC veya zaman-enerji dönüştürücüye sahip olmak için.

Zaman-zaman-Dijital Operalar Zaman-Flight Lidar'da Alternatif Olarak

Doğrudan zaman-of-flight Lidar, yalnızca düşük güçle ilgili varış süresini ölçmek için ihtiyaç duyuyor, ancak çok kanallı TDC ve histogram kullanarak, modern Lidar sistemleri ADC tabanlı yaklaşımlarla karşılaştırılabilir bir şekilde hıza ulaşabilir.ADC ve TDC arasındaki seçim, belirli Lidar mimarisine bağlıdır: FMCW ve amplifikasyon sistemleri için amplitüdücü sistemler için bir süre gerekir.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Yüksek hızlı ADCs, 3D görüntüleme ve Lidar sistemleri için performans zarfının kalbindedir. 10 GSPS'nin ötesinde örnekleme oranlarına sahip olma zorlukları yeterli çözünürlükte, düşük güç ve sağlam analog ön uçlar, AI, fotoniklerin bir kombinasyonunu ile karşı karşıya kalacaktır ve daha sıkı bir şekilde tasarlanır.

Daha fazla okuma için, bkz.FLT:0)Analog Cihazlarının yüksek hızlı ADC mimarisi)., [[Döneticileri:2)Texas Instruments'ın zaman ara sırasına kılavuzluk ADCs) ve [[Dörtüncü|Düzmeler ve ADC kalibrasyon teknikleri).