Simplifique el diseño de receptores directos de tiempo de vuelo con un módulo integrado de conversión de corriente a bits

Los sistemas de tiempo de vuelo (ToF) se utilizan en una amplia gama de aplicaciones, entre las que se incluyen la detección y medición de distancias mediante luz (LiDAR), los telémetros láser, los sensores de profundidad 3D, los altímetros para drones y los reflectómetros ópticos en el dominio del tiempo (OTDR). Las arquitecturas que utilizan componentes independientes en la ruta de recepción ofrecen flexibilidad, pero plantean a los diseñadores difíciles dilemas a la hora de equilibrar el ancho de banda, el rango dinámico, la recuperación tras la saturación y el comportamiento frente al ruido.

En este artículo se describe la función de los receptores ToF y los retos de diseño que plantean. A continuación, presenta un diseño de receptor ToF de Analog Devices que aborda estos retos mediante una arquitectura integrada.

Por qué los retos de adaptación complican el diseño de sistemas ToF discretos

Aunque su concepto es sencillo, la implementación de un receptor ToF resulta compleja. Debe captar pulsos de retorno con una duración del orden de decenas de nanosegundos sin redondear sus flancos, abarcar un rango dinámico que vaya desde débiles señales de retorno de largo alcance hasta reflejos abrumadores procedentes de objetivos cercanos, recuperarse de la saturación con la rapidez suficiente para evitar perder el siguiente ciclo de pulso, y mantener su ruido, referido a la entrada, por debajo del nivel de señal limitado por la óptica, de modo que el alcance y la precisión vengan determinados por la óptica y no por la electrónica del receptor.

Cuando un receptor se construye a partir de componentes discretos, el diseño se enfrenta a retos adicionales debido a los problemas de adaptación que pueden surgir en cada límite de bloque. El ruido del amplificador de transimpedancia (TIA) debe adaptarse a la ganancia de un fotodiodo de avalancha (APD), el ancho de banda del TIA a la frecuencia de muestreo del convertidor analógico-digital (ADC) y la salida asimétrica del TIA a la entrada diferencial del ADC, mientras que un filtro antialiasing protege el muestreador.

En su forma más básica, un receptor ToF directo pulsado para aplicaciones de corto alcance suele constar únicamente de unas pocas etapas: un fotodetector, como un APD o un fotodiodo PIN (intrínseco-negativo), un TIA y un ADC. En las aplicaciones que utilizan matrices de detectores, los problemas de adaptación se agudizan (Figura 1).

Figura 1: Ya sea de forma independiente o como parte de una matriz, una cadena de recepción discreta conecta en serie un fotodetector, un TIA y un ADC, lo que permite al diseñador adaptar cada etapa a la siguiente. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Cómo una solución integrada da respuesta a los retos que plantean los receptores ToF

El µModule de entrada de corriente ADA4356 de Analog Devices (figura 2) ofrece una solución integrada para hacer frente a estos retos. El ADA4356, diseñado para simplificar el diseño de receptores ToF, integra la cadena de recepción en un único dispositivo de entrada de corriente, presentado en un paquete BGA (matriz de malla de bola) de 12 × 6 milímetros (mm) y 84 bolas. El pin de entrada de la cadena de recepción del módulo (INPUT) se conecta a un TIA de entrada con transistores de efecto de campo (FET) y ganancia programable, que convierte la salida de corriente del fotodetector en una tensión. A continuación, la señal de salida del TIA pasa por una etapa de acondicionamiento de señal compuesta por un amplificador totalmente diferencial (FDA) y un filtro de paso bajo programable (LPF), antes de ser digitalizada por un convertidor analógico-digital (ADC) en pipeline de 14 bits a frecuencias de muestreo de hasta 125 megamuestras por segundo (Msamples/s).

Figura 2: Al agrupar el TIA, la FDA, el LPF y el ADC en un único pin de entrada de corriente, la coincidencia de los límites de los bloques se traslada al interior del dispositivo. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Al consolidar la cadena de recepción, el módulo ADA4356 ocupa poco espacio y alivia la carga que tradicionalmente recae sobre los diseñadores a la hora de resolver el problema de la coincidencia de los límites de los bloques descrito anteriormente. En lugar de tener que lidiar con un rendimiento que varía en función de la elección de los componentes discretos, los diseñadores parten de un dispositivo bien caracterizado con un nivel de ruido de fondo conocido en la cadena de recepción. Dado que el módulo mantiene un rendimiento en cuanto al ruido prácticamente constante independientemente de las variaciones en la capacitancia de la fuente del fotodetector, también ofrece a los diseñadores un punto de partida más predecible para el cálculo de los márgenes de la ruta de recepción (Figura 3).

Figura 3: La densidad espectral de ruido del ADA4356 se mantiene prácticamente constante independientemente de las capacitancias de la fuente del fotodetector, lo que proporciona a los diseñadores una referencia fija para el cálculo de los márgenes. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Las funciones programables están pensadas para satisfacer necesidades específicas

Las diversas aplicaciones de ToF se basan en la misma cadena de recepción fundamental, pero difieren en requisitos específicos, como el espacio físico que ocupan, la gestión térmica y las características de rendimiento. Con el ADA4356, los diseñadores pueden configurar sus cadenas de recepción para cumplir con una amplia gama de estos requisitos.

Por ejemplo, el módulo se adapta a las necesidades de los dispositivos con limitaciones de espacio. Con un rango de funcionamiento industrial de entre -40 °C y +85 °C, el módulo puede funcionar con una única fuente de alimentación de 3.3 V. Sus capacitores de derivación internos, situados en cada línea de alimentación, eliminan la necesidad de un desacoplamiento externo, lo que reduce aún más el espacio ocupado. Cuando el espacio es escaso, los diseñadores pueden utilizar el regulador de baja caída de tensión (LDO) de 1.8 V integrado en el módulo para alimentar el núcleo del convertidor analógico-digital (ADC). Como alternativa, los diseñadores pueden desactivar el LDO interno y utilizar una fuente externa de 1.8 V optimizada para las características de eficiencia, ruido o rendimiento que deseen.

Aunque está diseñado para capturar pulsos de retorno del orden de decenas de nanosegundos, los diseñadores pueden configurar el módulo para que se adapte a requisitos específicos de funcionamiento y captura. Por ejemplo, el filtro de paso bajo analógico interno del módulo puede configurarse con una frecuencia de corte de 100 megahercios (MHz) para preservar los flancos de los pulsos estrechos o para actuar como filtro antialiasing para el convertidor analógico-digital (ADC). Como alternativa, el filtro de paso bajo (LPF) puede ajustarse a 1 MHz para reducir el nivel de ruido de fondo en aplicaciones con pulsos más lentos o de mayor anchura.

El TIA con ganancia programable del módulo permite a los desarrolladores ajustar la sensibilidad del receptor mediante tres valores de resistencia de retroalimentación: 4.54 kΩ, 11 kΩ o 133 kΩ, lo que permite adaptarse a las corrientes de entrada lineales recomendadas de 3 µA a 300 µA, de 1 µA a 100 µA y de 100 nanoamperios (nA) a 10 µA, respectivamente. Para gestionar corrientes de pico que superen el rango nativo, se puede utilizar un divisor de corriente externo que permita ampliar la detección de corriente hasta 60 miliamperios (mA) (Figura 4).

Figura 4: Un divisor de corriente externo y compacto, situado antes de la entrada, amplía el rango de uso a corrientes máximas más elevadas sin modificar la arquitectura del receptor. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Incluso sin un divisor de corriente externo, el módulo mantiene su rendimiento durante los transitorios, como por ejemplo cuando objetivos cercanos y altamente reflectantes provocan grandes corrientes transitorias en el receptor. El ADA4356 soporta una corriente de entrada analógica de 40 mA sin que se produzca ningún daño en el TIA. La protección interna contra sobrecargas de corriente, combinada con una rápida recuperación tras una sobrecarga de entrada, permite que el dispositivo vuelva rápidamente a su funcionamiento normal. En la etapa del ADC, la recuperación fuera de rango se produce en un solo ciclo de reloj, por lo que una señal de retorno saturada no impide que el receptor detecte el pulso siguiente.

Configuración de un dispositivo para diferentes aplicaciones

Dado que la cadena de recepción se configura en lugar de seleccionarse por componente, el mismo diseño basado en el ADA4356 puede utilizarse en aplicaciones como el OTDR, que requieren sensibilidades y anchos de banda muy diferentes. El OTDR utilizado en los centros de datos permite resolver eventos muy próximos entre sí en tramos cortos de fibra, donde la prioridad es el ancho de banda, combinando la ganancia más baja (4.54 kΩ) con el filtro de 100 MHz. Por su parte, el OTDR de largo alcance mide los retornos a lo largo de tramos largos de fibra utilizando pulsos más amplios, dando prioridad a un nivel de ruido de fondo lo más bajo posible, y combinando la ganancia de transimpedancia más alta (133 kΩ) con el filtro de 1 MHz. Cuando una aplicación puede soportar el tiempo de adquisición adicional, el promedio en tiempo real reduce aún más el umbral de ruido efectivo (Figura 5).

Figura 5: Con una ganancia de 133 kΩ y un filtro de 1 MHz, tal y como se utiliza en los OTDR de largo alcance, el promediado reduce considerablemente el nivel de ruido de fondo. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Los diseñadores pueden utilizar un enfoque similar para desarrollar rápidamente soluciones de receptores para otras aplicaciones de medición directa del tiempo de vuelo (ToF). En los casos en los que la sensibilidad es el factor limitante y los pulsos son más largos, es preferible una ganancia de transimpedancia más alta y un filtro más estrecho, mientras que en los casos en los que el ancho de banda es el factor limitante y los pulsos son estrechos o están muy próximos entre sí, es preferible una ganancia más baja y un filtro más amplio. El diseñador configura estos puntos de funcionamiento a través de los pines de selección de ganancia y de selección de filtro, o bien mediante la Interfaz Periférica en Serie (SPI). Por lo tanto, trasladar el mismo dispositivo de una aplicación a otra supone un cambio de configuración y no un rediseño de la placa ni la sustitución por un componente diferente.

Pasar rápidamente de la evaluación y la creación de prototipos a los diseños a medida

Analog Devices ofrece un amplio conjunto de recursos para ayudar a los desarrolladores a evaluar, crear prototipos y diseñar soluciones personalizadas basadas en el ADA4356. La placa de evaluación EVAL-ADA4356EBZ y el software que la acompaña ofrecen una plataforma completa para comprender la configurabilidad y el rendimiento del ADA4356. Viene configurada para su uso inmediato con la placa de desarrollo ZedBoard de Digilent, que se conecta a través del conector de la tarjeta mezzanine (FMC) de la matriz de puertas programables en campo (FPGA) de la placa de evaluación (Figura 6).

Figura 6: La placa de evaluación EVAL-ADA4356EBZ, conectada a una placa controladora a través de su conector FMC, permite acceder a un subsistema ADA4356 completo para su evaluación y la creación de prototipos. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Siguiendo las instrucciones paso a paso de la guía del usuario del EVAL-ADA4356EBZ de Analog Devices, los desarrolladores conectan el EVAL-ADA4356EBZ a la ZedBoard a través del conector FMC, carguen el software desde la tarjeta de memoria Secure Digital (SD) incluida con la placa de evaluación y enciendan el conjunto de placas utilizando un adaptador de pared de 12 V. Una conexión Ethernet entre la ZedBoard y una computadora host completa la configuración y permite la comunicación con la placa a través de herramientas de evaluación o de un programa de terminal, como Windows PowerShell, para realizar funciones básicas como el apagado del sistema y la depuración.

Para trabajar con el ADA4356 integrado, la placa de evaluación ofrece dos métodos para proporcionar señal de entrada al módulo. La fuente de entrada predeterminada es una fuente de corriente de Howland con búfer (BHCS) alimentada por una fuente de tensión, como un generador de funciones, conectada a la entrada SMA de la placa de evaluación. La vía de entrada alternativa de la placa cuenta con una ranura para APD de 3 pines con un circuito de polarización integrado, diseñada para facilitar la creación de prototipos de configuraciones del ADA4356 con APD específicos. Un circuito divisor de corriente integrado reduce la corriente de entrada procedente del BHCS o del APD hasta el rango de corriente de entrada lineal del ADA4356.

La interfaz gráfica de usuario (GUI) del software de análisis, control y evaluación (ACE) de Analog Devices ofrece una forma intuitiva y basada en menús para controlar el ADA4356 y supervisar su salida. Los desarrolladores especifican el número de muestras junto con los ajustes de frecuencia y ganancia del ADA4356 y, a continuación, observan las señales muestreadas en el dominio del tiempo o en representaciones de histograma o de transformada rápida de Fourier (FFT) (Figura 7).

Figura 7: La herramienta de software ACE permite explorar rápidamente los ajustes del ADA4356 y su impacto en su salida. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Analog Devices también ofrece una amplia compatibilidad con las E/S industriales (IIO) basadas en Linux a través de su biblioteca de código abierto libIIO y la compatibilidad con dispositivos, lo que permite utilizar herramientas genéricas de IIO, como el osciloscopio IIO, scopy y las herramientas de línea de comandos de IIO, al trabajar con la placa de evaluación. Esta compatibilidad con IIO se extiende al acceso programático a través de su módulo pylibiio, que proporciona enlaces de Python para libIIO y a la interfaz de programación de aplicaciones (API) de Python pyadi-iio de Analog Devices. Entre los ejemplos de código del repositorio de GitHub de pyadi-iio, la aplicación en Python ada4356_lidar_example.py ilustra los patrones de diseño clave para configurar el ADA4356 y obtener muestras de sus datos, analizar su salida y mostrar los resultados (Listado 1).

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...
# Connect to ADA4356
try:
    lidar = adi.ada4356_lidar(uri=uri)
except Exception as e:
    print(f"ERROR: {e}")
    libm2k.contextClose(m2k)
    sys.exit(1)
 
# Configure TDD
tdd = lidar.tdd
tdd.enable = False
tdd.burst_count = 0
tdd.frame_length_raw = frame_length
tdd.channel[0].on_raw = CH0_ON_RAW
tdd.channel[0].off_raw = CH0_OFF_RAW
tdd.channel[0].enable = True
tdd.channel[1].on_raw = CH1_ON_RAW
tdd.channel[1].off_raw = CH1_OFF_RAW
tdd.channel[1].enable = True
tdd.enable = True
...
# Capture
adc_sample_rate = float(lidar.sampling_frequency)
lidar.rx_buffer_size = buffer_samples
lidar.rx_enabled_channels = [0]
print(f"Buffer: {buffer_samples:,} samples ({buffer_samples * 2 / 1e6:.1f} MB)")
 
time.sleep(0.3)
 
start_time = time.perf_counter()
data = lidar.rx()
capture_duration = (time.perf_counter() - start_time) * 1000
...
if mode == "fft":
...
    # --- FFT analysis ---
    N = len(data)
    data_ac = data.astype(np.float64) - np.mean(data)
    window = np.blackman(N)
    coherent_gain = np.sum(window) / N
    data_windowed = data_ac * window / coherent_gain
 
    fft_result = np.fft.rfft(data_windowed)
...
    print(f"\n--- FFT Analysis ---")
    print(
        f"Fundamental: {fund_freq / 1e6:.6f} MHz (expected {actual_sine_freq / 1e6:.6f} MHz)"
    )
    print(f"  Amplitude: {fund_amplitude:.1f} codes ({fund_dbfs:.1f} dBFS)")
    print(f"  SFDR: {sfdr_db:.1f} dB, SNR: {snr_db:.1f} dB")
...

Listado 1: El código de ejemplo para una aplicación lidar basada en el ADA4356 muestra los patrones de diseño clave para inicializar el ADA4356, capturar su salida, analizar los datos y presentar los resultados (los puntos suspensivos indican que se ha omitido parte del código por motivos de brevedad). (Fuente del código: Analog Devices)

Para los diseñadores que deseen desarrollar una placa a medida, ADI publica el diseño de referencia correspondiente con los códigos fuente en lenguaje de descripción de hardware (HDL) abierto. El diseño puede reconstruirse y modificarse para un sistema de destino utilizando los códigos fuente en HDL publicados y el diseño de referencia. Estos recursos incluyen la sincronización por hardware necesaria para que un receptor ToF directo por impulsos alinee la captura de datos con el disparo del láser, lo que proporciona una trayectoria documentada desde la evaluación hasta la puesta en marcha.

Conclusión

Los receptores ToF utilizados en numerosos ámbitos de aplicación deben captar pulsos de retorno cortos en un amplio rango dinámico, recuperarse rápidamente de la saturación y mantener un bajo nivel de ruido. Sin embargo, resulta difícil conciliar estos requisitos cuando la cadena de recepción está compuesta por componentes discretos. El ADA4356 integra esa cadena en un único dispositivo configurable que se adapta a las diferentes exigencias de las aplicaciones, al tiempo que mantiene un rendimiento constante. Gracias a una plataforma de evaluación y al software asociado, los diseñadores pueden pasar rápidamente de la fase de evaluación y creación de prototipos al diseño a medida de soluciones de receptores ToF.