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激光雷達(dá)上用到的高速ADC,國產(chǎn)化進(jìn)度如何了?

Hobby觀察 ? 來源:電子發(fā)燒友網(wǎng) ? 作者:梁浩斌 ? 2022-09-06 07:53 ? 次閱讀
電子發(fā)燒友網(wǎng)報道(文/梁浩斌)通常來說,激光雷達(dá)的幾個重要指標(biāo)包括測距距離/精度、視場角、分辨率以及幀率等。而這些指標(biāo),很大程度上取決于激光雷達(dá)所選用的相關(guān)元器件。比如測距距離,主要取決于激光器的功率密度;分辨率取決于接受接收模塊的性能。

高速ADC關(guān)系到激光雷達(dá)測距精度

而對于自動駕駛激光雷達(dá)而言,測距距離足夠遠(yuǎn)、測距精度足夠高,是保證自動駕駛系統(tǒng)及時作出判斷的前置條件。前面也提到測距距離取決于激光器的功率,而測距精度,則取決于ADC的采樣頻率。

目前主流的激光雷達(dá)都采用ToF的測距方式,ToF也就是飛行時間(Time of Flight),通過直接測量發(fā)射激光和回波信號的時間差計算出距離信息。激光器先發(fā)射出經(jīng)過編碼的激光,激光到達(dá)被測物體后,接收器再接收被測物體反射回來的激光,由于光速基本固定,所以可以計算從發(fā)出激光到接收到激光的時間差,利用s=v/t計算出這段時間內(nèi)光傳播的距離,再除以2得出被測物體與激光雷達(dá)之間的距離。

在激光雷達(dá)中,接收器接收到的信號,需要通過模擬前端進(jìn)行放大以及通道選通,再由ADC將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。因此,ToF測距激光雷達(dá)的測距精度,就直接取決于ADC的采樣頻率。

以采樣速率為1GSPS(Gigabit Samples Per Second,即每秒千兆次采樣)的ADC為例,它的時鐘周期為1ns。已知光速C一般取值為300000km/s,所以在采樣速率1GSPS的ADC中,每個時鐘周期,也就是每1ns的采樣周期里光傳播距離為30cm。因此,考慮到計算距離需要將這段時間內(nèi)光傳播的距離除以2,那么也就是說采樣速率為1GSPS時可以達(dá)到正負(fù)15cm的精度。

根據(jù)techinsights對Velodyne的VLP-16激光雷達(dá)的拆解,BOM成本大約為830-990美元,其中由于是機(jī)械旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu),16線需要有16組激光器和接收器,成本占大頭;而其他主要元件里,AlteraFPGA和TI的高速ADC08500占比較高,分別為14美元和30美元。從TI官網(wǎng)可以查到,ADC08500是一顆8bits、500MSPS采樣率的高速ADC,當(dāng)然Velodyn這款激光雷達(dá)也是相對較早期的產(chǎn)品了。

目前市場上激光雷達(dá)應(yīng)用中,比較常見采用的是TI的ADC08D1000,這是一顆8bits、支持雙路1GSPS或單路2GSPS的高速ADC,兼顧低功耗和高性能。

而激光雷達(dá)的另一種測距方式,F(xiàn)MCW(調(diào)頻連續(xù)波)通過將發(fā)射激光的光頻進(jìn)行線性調(diào)制,將回波信號與參考光進(jìn)行相干得到頻率差,從而獲得飛行時間反推目標(biāo)物體距離。FMCW激光雷達(dá)具有可直接測量速度信息以及抗環(huán)境光和其他激光雷達(dá)干擾等優(yōu)勢,但由于采用多通道并行處理,數(shù)據(jù)量大,對高速ADC轉(zhuǎn)換速率(最大采樣速率)的要求是ToF系統(tǒng)的2-4倍。

半導(dǎo)體三巨頭份額超95%,國產(chǎn)廠商進(jìn)展如何?

但目前高速ADC/DAC市場幾乎被TI、ADIMaxim三家公司所壟斷,占國內(nèi)市場超過95%份額。同時,在美國的出口管制清單中,也包含了一些高分辨率、高速ADC產(chǎn)品,比如采樣速率400MSPS以上的12-14bits ADC。

所以在近些年很多國產(chǎn)廠商也看到了該領(lǐng)域國產(chǎn)替代的需求,開始入局高速ADC市場,而目前來看已經(jīng)有不少公司推出了技術(shù)指標(biāo)能夠?qū)?biāo)海外大廠的產(chǎn)品。比如蘇州迅芯微電子,公司專注高端信號鏈模擬芯片,高速ADC采樣速率有2GSPS、10GSPS,最高甚至達(dá)到30GSPS,精度在6bits-8bits之間。

航天電子技術(shù)股份有限公司的全資子公司時代民芯也推出了兩款高速ADC,包括MXT2001,具有雙通道、低功耗、高性能的特性,采樣精度為8bits,單通道采樣率高達(dá)1.3GSPS;MXT2002則是航天應(yīng)用的高速ADC,在MXT2001基礎(chǔ)上增加了抗輻照特性,單通道采樣率略低,為800MSPS。

而面向激光雷達(dá)的需求,也有一些國內(nèi)廠商推出了相關(guān)產(chǎn)品。CBM08AD1500QP是芯佰微推出的一款雙通道8位超高速ADC,最大轉(zhuǎn)換速率達(dá)到1.5GSPS,具有采樣率高、功耗低、線性誤差小、增益和失調(diào)自動校正和3-線接口控制等特點。通過3-線接口可對內(nèi)部電路的增益、失調(diào)和通道間的時鐘匹配進(jìn)行校正,模擬輸入為差分輸入,即可交流耦合也可直流耦合;時鐘輸入電路內(nèi)部設(shè)有直流偏置,必須交流耦合輸入。

成立于2018年的靈矽微,在2020年成功流片了8bit、1GSPS采樣速率的高速、低功耗ADC,并宣布已經(jīng)獲得激光雷達(dá)客戶百萬元訂單。靈矽微表示這款A(yù)DC是國內(nèi)唯一正向設(shè)計的1GSPS 8bit ADC產(chǎn)品,速度精度一致的情況下,與ADI、TI同類產(chǎn)品相比,功耗降低70%,高溫適用范圍提高20℃,完美適應(yīng)激光雷達(dá)以及示波器客戶的需求。

在8月初,芯熾科技展示了其一款型號為SC10D9501的低功耗高性能ADC,分辨率10bit的同時,雙通道采樣率也高達(dá)1.5GSPS,單通道更是可以實現(xiàn)3GSPS采樣率(DES模式)。該芯片單路1.9V電源在1.5GSPS的非多路復(fù)用模式下典型功耗為2.19瓦,芯熾科技表示與國外同類型產(chǎn)品相比,SC10D9501面積降低70%,功耗降低50%,高低溫性能優(yōu)越。

小結(jié):

作為模擬芯片中的重要一環(huán),要做好ADC并不容易。除了本身在工藝、設(shè)計上需要有多年的技術(shù)迭代積累,如何在市場上與早已成熟的海外大廠產(chǎn)品進(jìn)行競爭,這需要國內(nèi)模擬芯片廠商緊貼市場需求,堅持正向研發(fā)。而國內(nèi)激光雷達(dá)廠商的崛起,是否也會帶動國內(nèi)高速ADC產(chǎn)品的加速突破,也值得期待。

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