MAX40660/MAX40661：用于激光雷達(dá)的高性能跨阻放大器

在激光雷達(dá)（LiDAR）應(yīng)用的光學(xué)距離測(cè)量領(lǐng)域，跨阻放大器（TIA）起著至關(guān)重要的作用。今天我們要深入探討的是Analog Devices推出的MAX40660/MAX40661跨阻放大器，它憑借諸多出色特性，成為汽車激光雷達(dá)應(yīng)用的理想之選。

文件下載：MAX40660.pdf

一、產(chǎn)品概述

MAX40660/MAX40661專為激光雷達(dá)應(yīng)用中的光學(xué)距離測(cè)量接收器而設(shè)計(jì)。其具備低噪聲、高增益、低群延遲以及快速過(guò)載恢復(fù)等特性，非常適合距離測(cè)量應(yīng)用。

關(guān)鍵特性

1. 低噪聲：以MAX40660為例，其輸入?yún)⒖荚肼暶芏鹊椭?.1pA，能有效減少噪聲干擾，提高測(cè)量精度。
2. 高帶寬：不同電容和跨阻配置下，帶寬表現(xiàn)優(yōu)秀。如MAX40660在輸入電容0.5pF、跨阻25kΩ時(shí)，典型帶寬達(dá)490MHz；MAX40661在輸入電容10pF時(shí)，典型帶寬為160MHz。
3. 可選擇跨阻：通過(guò)引腳可選擇25kΩ和50kΩ兩種跨阻，滿足不同應(yīng)用需求。
4. 輸入電流鉗位：內(nèi)部設(shè)有輸入鉗位電路，可承受高達(dá)2A的瞬態(tài)輸入電流，保護(hù)放大器免受大電流沖擊。
5. 快速過(guò)載恢復(fù)：對(duì)于高達(dá)100mA的輸入電流，過(guò)載恢復(fù)時(shí)間僅需2ns，能迅速恢復(fù)正常工作。
6. 偏移電流輸入：可對(duì)輸入偏移電流進(jìn)行可選調(diào)整，優(yōu)化輸出電壓。
7. 低功耗控制：低功耗/待機(jī)控制輸入可使電源電流降低80%以上，降低脈沖間的平均電源電流。
8. 汽車級(jí)認(rèn)證：通過(guò)AEC - Q100認(rèn)證，工作溫度范圍為 - 40°C至 + 125°C，適用于汽車環(huán)境。
9. 封裝形式：采用3mm x 3mm、10引腳TDFN封裝，側(cè)面可焊，此外MAX40660還提供裸片形式。

二、應(yīng)用領(lǐng)域

1. 光學(xué)距離測(cè)量：精準(zhǔn)測(cè)量目標(biāo)物體與傳感器之間的距離。
2. 激光雷達(dá)接收器：作為激光雷達(dá)系統(tǒng)的重要組成部分，接收并處理光信號(hào)。
3. 工業(yè)安全系統(tǒng)：用于檢測(cè)物體的位置和距離，保障工業(yè)生產(chǎn)安全。
4. 自動(dòng)駕駛系統(tǒng)：為自動(dòng)駕駛車輛提供環(huán)境感知所需的距離信息。
5. 汽車應(yīng)用：滿足汽車電子系統(tǒng)對(duì)可靠性和性能的嚴(yán)格要求。

三、電氣特性與參數(shù)

1. 絕對(duì)最大額定值

了解這些參數(shù)能確保在使用過(guò)程中不會(huì)對(duì)器件造成永久性損壞。

• 電源電壓： - 0.3V至 + 3.6V
• 輸入電流：不同引腳和條件下有不同限制，如IN引腳在10ns脈沖寬度、0.5%占空比時(shí)，最大電流為 - 2A；連續(xù)輸入電流限制在 - 0.4mA至0mA等。
• 輸出電流：OUTP和OUTN引腳連續(xù)電流范圍為 - 20mA至 + 20mA。
• 電壓：OUTN、OUTP引腳電壓最大為VCC + 0.3V；GAIN、LP引腳電壓范圍為 - 0.3V至VCC + 0.3V。
• 溫度范圍：工作溫度范圍 - 40°C至 + 125°C，存儲(chǔ)溫度范圍 - 55°C至 + 150°C等。

2. 電氣特性表

在特定條件下（如(V{CC}=+2.9V)至 + 3.5V，(V{CL}=V_{CC})等），對(duì)電源電流、輸入偏置電壓、跨阻線性度、過(guò)載恢復(fù)時(shí)間等參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)規(guī)定。例如，在LP > 2.0V（邏輯高）時(shí)，電源電流典型值為41mA；LP < 0.8V（邏輯低）時(shí)，典型值為8mA。

四、典型工作特性

通過(guò)一系列圖表展示了該放大器在不同溫度、電源電壓、輸入電流等條件下的性能表現(xiàn)，如電源電流與溫度、電源電壓的關(guān)系，輸出共模電壓與溫度、電源電壓的關(guān)系等。這些特性曲線有助于工程師在實(shí)際應(yīng)用中更好地了解器件性能，進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。

五、引腳配置與說(shuō)明

1. 引腳配置

MAX40660/MAX40661采用10引腳TDFN封裝，各引腳有明確的功能定義。

2. 引腳說(shuō)明

• VCL：輸入電流鉗位的電源連接，連接到VCC。
• LP：使能/低功耗輸入，邏輯高為正常工作模式，邏輯低為低功耗待機(jī)模式。
• IN：信號(hào)輸入，根據(jù)偏置電壓不同，連接方式有所差異。
• OFFSET：偏移調(diào)整輸入，可用于調(diào)整有效輸入偏移電流。
• GAIN：增益選擇輸入，連接到GND時(shí)增益為25kΩ，連接到VCC時(shí)增益為50kΩ。
• GND：電路接地。
• OUTN和OUTP：分別為負(fù)50Ω輸出和正50Ω輸出，輸入電流變化會(huì)引起輸出電壓相應(yīng)變化。
• VCC： + 3.3V電源電壓。
• EP：暴露焊盤，必須連接到地。

六、詳細(xì)工作原理

1. 增益級(jí)1

當(dāng)連接負(fù)偏置電壓的光電二極管到TIA輸入時(shí)，信號(hào)電流從放大器的求和節(jié)點(diǎn)流出并進(jìn)入光電二極管。輸入電流通過(guò)內(nèi)部負(fù)載電阻產(chǎn)生電壓，該電壓作為第二級(jí)的輸入。內(nèi)部鉗位電路可保護(hù)高達(dá)2A的10ns脈沖、0.5%占空比的輸入電流，且對(duì)于高達(dá)100mA的輸入電流，過(guò)載恢復(fù)時(shí)間約為2ns。

2. 增益級(jí)2

第二增益級(jí)提供額外增益，并將跨阻放大器的單端輸出轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)。該級(jí)設(shè)計(jì)用于驅(qū)動(dòng)OUT + 和OUT - 之間的100Ω差分負(fù)載，為實(shí)現(xiàn)最佳電源噪聲抑制，輸出應(yīng)采用差分負(fù)載端接。

3. OFFSET輸入

OFFSET是一個(gè)電流輸入，其輸入電流IOFFSET會(huì)影響TIA的輸出電壓，極性與從IN引腳流入的電流相反，可用于對(duì)輸出電壓進(jìn)行偏移校正。

4. LP輸入

LP輸入接受邏輯信號(hào)，用于將TIA置于低功耗待機(jī)模式，降低電源電流。從低功耗模式返回活動(dòng)模式的時(shí)間約為200ns。

七、應(yīng)用注意事項(xiàng)

1. 光電二極管選擇

MAX40660適用于輸入電容為0.25pF至5pF的低電容光電二極管；MAX40661則適用于電容范圍為5pF至12pF的光電二極管。選擇合適的光電二極管有助于降低輸入電容，提高性能。

2. 電源濾波

敏感的光學(xué)接收器需要寬帶電源去耦，電源旁路應(yīng)在10kHz至700MHz頻率范圍內(nèi)提供VCC和地之間的低阻抗。使用LC電源濾波器和屏蔽隔離放大器與噪聲源，并將電源濾波器盡可能靠近放大器放置。

3. 布局考慮

• 輸出布局：推薦使用差分微帶布局，輸出端接應(yīng)靠近輸出引腳，避免不必要的短截線，減少寄生電容對(duì)信號(hào)的影響。
• 輸入走線：連接光電二極管到MAX40660/MAX40661的IN引腳的輸入走線應(yīng)盡可能短，并去除下方的接地層，以減少寄生電容和電感。
• 接地平面：使用低阻抗接地平面的PCB板。
• 旁路電容：在GND和VCC引腳之間盡可能靠近引腳安裝一個(gè)或多個(gè)10nF陶瓷電容，選擇低電感和低ESR的旁路電容。
• 輸出端接：如果可能，在AC耦合電容后直接在OUTP和OUTN之間連接100Ω端接電阻；若目的地輸入不能靠近輸出端，使用100Ω微帶連接輸出引腳和端接電阻。
• 寄生電感：盡量減少布局中的寄生電感。
• 基板材料：推薦使用高性能基板材料，如Rogers材料。

4. 電源斜坡斜率

電源斜坡速率需要大于等于50μs，以確保在電源上電期間核心鉗位不會(huì)觸發(fā)，避免額外的電流消耗。

八、典型應(yīng)用電路

文檔中給出了兩種典型應(yīng)用電路，分別為直流耦合APD接收器TIA和交流耦合APD接收器TIA。在這兩種電路中，光電二極管將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，輸入到MAX40660/MAX40661，經(jīng)過(guò)放大后輸出差分信號(hào)，可驅(qū)動(dòng)高速ADC或比較器。

九、訂購(gòu)信息

提供了不同型號(hào)的訂購(gòu)信息，包括溫度范圍、引腳封裝、輸入電容和帶寬等參數(shù)。如MAX40660ATB + **適用于 - 40°C至 + 125°C溫度范圍，10引腳TDFN封裝，輸入電容0.25至5pF，帶寬490MHz。同時(shí)，對(duì)裸片產(chǎn)品也有相關(guān)說(shuō)明。

十、總結(jié)

MAX40660/MAX40661跨阻放大器憑借其出色的性能和豐富的特性，為激光雷達(dá)及相關(guān)應(yīng)用提供了可靠的解決方案。在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，工程師需要根據(jù)具體應(yīng)用需求，綜合考慮電氣特性、引腳配置、布局要求等因素，以充分發(fā)揮該器件的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)高性能的光學(xué)距離測(cè)量系統(tǒng)。你在使用類似跨阻放大器時(shí)，遇到過(guò)哪些挑戰(zhàn)呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)。