LiDAR-module ondersteunt hogere snelwegsnelheden

De komst van zelfrijdende voertuigen heeft de aanwezigheid van laser-imaging detectie- en afstandssensoren (LiDAR) in het auto-elektronicaplatform aanzienlijk uitgebreid. LiDAR werkt volgens het radarprincipe, maar maakt gebruik van lichtpulsen die worden uitgezonden door een infrarood laserdiode.

De nieuwe MAX40026 hogesnelheidscomparator van Maxim Integrated en de MAX40660/MAX40661 transimpedantieversterkers (TIA's) met hoge bandbreedte maken 15 km/u sneller autonoom rijden op snelwegsnelheid mogelijk door de bandbreedte te verdubbelen en 32 kanalen toe te voegen (voor een totaal van 128 in plaats van 96) in een LiDAR-module van dezelfde grootte.

Wat is LIDAR?

Maurizio Gavardoni van Maxim demonstreert het evaluatiebord voor een vierkanaals LiDAR-ontvangstsysteem.
Het bevat optische fotodiodes van First Sensor en Maxim's onlangs gelanceerde TIA en snelle comparator. (Afbeelding:Maxim Integrated)

Naast kunstmatige intelligentie, camera's en radar zijn sensoren onmisbaar voor geassisteerd en autonoom rijden. Omdat ze nauwkeurige metingen van objecten kunnen leveren en obstakels op de weg kunnen detecteren - omgevallen boomtakken, andere auto's of zelfs een kind dat het verkeer in schiet - hebben LiDAR-sensoren de adoptie van geavanceerde rijhulpsystemen (ADAS) bevorderd en zijn cruciaal voor de ontwikkeling van autonome voertuigen (AV). De perceptie van een AV van de omgeving moet uiterst nauwkeurig zijn, daarom zitten experimentele robocars vol sensoren. Het gebruik van een laserverlichtingssysteem maakt het mogelijk om zelfrijdende auto's te besturen bij slecht of geen zicht en zelfs bij afwezigheid van wegmarkeringen.

"LiDAR-sensoren spelen een steeds grotere rol in de fusie van voertuigsensoren vanwege hun vermogen om nauwkeurige afstandsmeting van objecten te bieden", zegt Maurizio Gavardoni, hoofdlid van de technische staf bij Maxim Integrated. "Een typische LiDAR-sensor zendt lichtpulsen die, gereflecteerd door objecten en adequaat gedetecteerd door fotodiodes, je in staat stellen de omgeving in kaart te brengen."

LiDAR-systemen zijn gebaseerd op vluchttijd (ToF), die nauwkeurige timinggebeurtenissen meet (Figuur 1). De nieuwste ontwikkelingen hebben geleid tot verschillende multibeam LiDAR-systemen, die een nauwkeurig 3D-beeld van de omgeving rond het voertuig genereren. Deze informatie wordt gebruikt om de meest geschikte rijmanoeuvres te kiezen.

Afbeelding 1:Functioneel diagram van de vluchttijd (Afbeelding:Maxim Integrated)

Afbeelding 2 toont de basislay-out van een LiDAR-sensor. Er zijn twee basistypen LiDAR-systemen:micropuls LiDAR en high-energy. Micropulse-systemen zijn ontwikkeld als gevolg van de steeds toenemende beschikbare rekenkracht en de vooruitgang in lasertechnologie. Deze nieuwe systemen verbruiken een zeer laag vermogen, in de orde van 1 W, en zijn volkomen veilig voor de meeste toepassingen. Hoogenergetische LiDAR daarentegen is gebruikelijk in atmosferische monitoringsystemen, waarbij de sensoren worden gebruikt om atmosferische parameters zoals hoogte, gelaagdheid en wolkendichtheid te detecteren.

Afbeelding 2:Algemene lay-out van een LiDAR-sensor met de belangrijkste elektronische onderdelen weergegeven (Afbeelding:Maxim Integrated)

"Automatische zelfrijdende systemen evolueren van 35 mph naar 65 mph en verder, maar snellere autonome zelfrijdende systemen zijn essentieel", zegt Gavardoni. "De uitdagingen bij het voldoen aan deze eisen [vertalen] in zeer nauwkeurige afstandsmetingen van objecten, [vereisen] meer nauwkeurigheid, meer kanalen om te passen in platforms met beperkte ruimte, [en naleving van] strenge veiligheidseisen."

LiDAR-hardware

In een LiDAR-project is de transimpedantieversterker het meest kritische onderdeel van een elektronische lay-out. Lage ruis, hoge versterking, lage groepsvertraging en snel herstel van overbelasting maken de nieuwe Maxim TIA's ideaal voor toepassingen voor afstandsmeting.

TIA-circuits worden vaak gebruikt in toepassingen die de behoefte aan circuits delen om de output van elektro-optische oplossingen te bufferen en te schalen om een ​​hoge snelheid en een hoog dynamisch bereik te bereiken. TIA is een stroom-naar-spanning-omzetter, bijna uitsluitend geïmplementeerd met een of meer operationele versterkers (Figuur 3).

Afbeelding 3:Algemene lay-out van een TIA met een fotodiode met omgekeerde polarisatie (Afbeelding:Wikipedia)

Fototransistoren en fotodiodes zijn nauw verwant en zetten invallend laserlicht om in elektrische stroom. Om maximale prestaties uit deze apparaten te halen, moeten ontwerpers speciale aandacht besteden aan interfacecircuits, golflengten en optisch-mechanische uitlijning. De MAX40660/MAX40661 transimpedantieversterkers maken veel snellere zelfrijdende systemen mogelijk met een hoge resolutie. De TIA's verminderen het stroomverbruik met meer dan 80% in de energiebesparende modus. Maxim's TIA's ondersteunen 128 kanalen met een bandbreedte van 490 MHz in het geval van de MAX40660 en 2,1-pA/√Hz ruisdichtheid voor een grotere meetnauwkeurigheid (Figuur 4).

Afbeelding 4:MAX40660-blokdiagram (Afbeelding:Maxim Integrated)

De MAX40026 is ondertussen een single-supply, high-speed comparator voor TOF-afstandsmetingstoepassingen. De lage verspreidingsvertraging van 10 picoseconden draagt ​​bij aan de nauwkeurige detectie van vaste en bewegende objecten. "Een lagere spreidingsvertraging en meer kanalen per systeem maken een nauwkeurigere timingmeting mogelijk, waardoor de systeemresolutie wordt verbeterd en een hogere rijsnelheid mogelijk is", aldus Gavardoni.

De MAX40026 heeft een common-mode ingangsbereik van 1,5 V tot VDD + 0,1 V, compatibel met de uitgangsschommelingen van verschillende veelgebruikte high-speed TIA's. De uitgangstrap voor laagspanningsdifferentiële signalering (LVDS) minimaliseert de vermogensdissipatie en is rechtstreeks verbonden met veel FPGA's en CPU's (Afbeelding 5).

Afbeelding 5:MAX40026 functioneel diagram (Afbeelding:Maxim Integrated)

De omvang van de nieuwe oplossingen wordt verder verkleind, waardoor veel meer kanalen kunnen worden ingevoegd in voertuigplatforms met beperkte ruimte. Deze geïntegreerde circuits voldoen aan de strengste veiligheidseisen van de auto-industrie, met AEC-Q100-kwalificatie, verbeterde elektrostatische ontlading (ESD) prestaties en effecten en diagnostische analyse (FMEDA), om ISO 26262-certificering op systeemniveau te ondersteunen.

>> Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op onze zustersite, EE Times Europe.