Maxim's geavanceerde LiDAR-module maakt 15 km/u snellere autonome snelwegrijden mogelijk

De komst van zelfrijdend rijden heeft de aanwezigheid van laser‑imaging detectie en ranging (LiDAR)-sensoren in het automotive elektronica-platform beslissend uitgebreid. LiDAR werkt volgens het radar-principe maar gebruikt lichtpulsen uitgezonden door een infrarood laser-diodes.

Maxim Integrated's nieuwe MAX40026 high‑speed comparator en MAX40660/MAX40661 high‑bandwidth transimpedance amplifiers (TIAs) maken 15 km/u snellere autonome rijden op snelweg 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?

Maxim's Maurizio Gavardoni demonstreert het evaluatiebord voor een vier‑kanaals LiDAR-ontvangstysteem.
Het omvat optische fotodiodes van First Sensor en Maxim's nieuw gelanceerde TIA en high‑speed comparator. (Afbeelding: Maxim Integrated)

Naast kunstmatige intelligentie, camera's en radar, zijn sensoren onmisbaar voor ondersteund en autonoom rijden. Omdat ze nauwkeurige metingen van objecten kunnen leveren en obstakels op de weg detecteren – gevallen takken, andere auto's, of zelfs een kind dat in het verkeer rent – hebben LiDAR-sensoren geholpen de adoptie van geavanceerde bestuurderassistentiesystemen (ADAS) te versnellen en zijn ze cruciaal voor autonoom-voertuig (AV) ontwikkeling. Een AV's perceptie van de omringende omgeving moet extreem precies zijn, wat verklaart waarom experimentele robocars vol zitten met sensoren. Het gebruik van een laser‑verlichtingssysteem stelt zelfrijdende auto's in staat om te opereren onder lage‑ of geen‑zichtbaarheidscondities en zelfs in afwezigheid van wegmarkeringen.

"LiDAR-sensoren spelen een toenemende rol in de fusie van voertuigsensoren voor hun vermogen om nauwkeurige afstandsmetingen van objecten te leveren," zei Maurizio Gavardoni, principal member of the technical staff bij Maxim Integrated. "Een typische LiDAR-sensor stuurt lichtpulsen uit die, gereflecteerd door objecten en adequaat gedetecteerd door fotodiodes, je in staat stellen de omringende omgeving in kaart te brengen."

LiDAR-systemen zijn gebaseerd op time of flight (ToF), wat precieze timing-gebeurtenissen meet (Figuur 1). De nieuwste ontwikkelingen hebben verschillende multibeam LiDAR-systemen gezien, die een precies 3D-beeld van de omgeving rondom het voertuig genereren. Deze informatie wordt gebruikt om de meest geschikte rijmanoeuvres te kiezen.

Figuur 1: Time‑of‑flight functioneel diagram (Afbeelding: Maxim Integrated)

Figuur 2 toont de basislay-out van een LiDAR-sensor. Er zijn twee basistypen LiDAR-systemen: micropuls LiDAR en hoge‑energie. Micropuls-systemen zijn ontwikkeld als gevolg van de steeds toenemende rekenkracht en vooruitgang in laser‑technologie. Deze nieuwe systemen gebruiken zeer lage energie, in de orde van 1 W, en zijn volledig veilig voor de meeste toepassingen. Hoge‑energie LiDAR daarentegen is gebruikelijk in atmosferische monitoring-systemen, waar de sensoren gebruikt worden om atmospherische parameters zoals hoogte, stratificatie en wolkdichtheid te detecteren.

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

"Automotive zelfrijdende systemen evolueren van 35 mph naar 65 mph en verder, maar snellere autonoom zelfrijdende systemen zijn essentieel," zei Gavardoni. "De uitdagingen in het voldoen aan deze eisen [vertaald] in hoogprecisie afstandsmetingen van objecten, [vereist] meer nauwkeurigheid, meer kanalen om in ruimte‑beperkte platforms te passen, [en naleving van] strikte veiligheidseisen."

LiDAR-hardware

In een LiDAR-project is de transimpedance amplifier het meest cruciale deel van een elektronische lay-out. Lage ruis, hoge gain, lage groepvertraging en snelle herstel na overbelasting maken de nieuwe Maxim TIAs ideaal voor afstandsmeettoepassingen.

TIA-circuits worden vaak gebruikt in toepassingen die de behoefte delen aan circuitry om de uitgang van elektro‑optische oplossingen te bufferen en te schalen om hoge snelheid en hoge dynamische bereik te bereiken. TIA is een stroom‑naar‑spanning-converter, bijna exclusief geïmplementeerd met één of meer operationele versterkers (Figuur 3).

Figuur 3: Algemene lay-out van een TIA met een reverse polarisatie fotodiodes (Afbeelding: Wikipedia)

Fototransistoren en fotodiodes zijn nauw verwant en converteren inkomend laserlicht in elektrische stroom. Om maximaal rendement uit deze apparaten te halen, moeten ontwerpers speciale aandacht besteden aan interface‑circuits, golflengten en optisch‑mechanische uitlijning. De MAX40660/MAX40661 transimpedance amplifiers maken veel snellere zelfrijdende systemen mogelijk met hoge resolutie. De TIAs verminderen stroomverbruik met meer dan 80% in lage‑energie-modus. Maxim's TIAs ondersteunen 128 kanalen met een bandbreedte van 490 MHz in het geval van de MAX40660 en 2,1‑pA/√Hz ruisdichtheid om grotere meetnauwkeurigheid te bieden (Figuur 4).

Figuur 4: MAX40660 blokdiagram (Afbeelding: Maxim Integrated)

De MAX40026 is derhalve een single‑supply, high‑speed comparator voor TOF-afstandsmeettoepassingen. De lage, 10‑picoseconden voortplantingsvertragingsdispersie bijdraagt aan de nauwkeurige detectie van vaste en bewegende objecten. "Lagere dispersievertraging en meer kanalen per systeem maken nauwkeurigere timing‑meting mogelijk, wat systeemresolutie verbetert en hogere rijsnelheid mogelijk maakt," zei Gavardoni.

De MAX40026 heeft een input common‑mode bereik van 1,5 V tot VDD + 0,1 V, compatibel met de uitgangsswings van diverse veelgebruikte high‑speed TIAs. De low‑voltage differential signaling (LVDS) uitgangsfase minimaliseert stroomdissipatie en interfaceert direct met veel FPGA's en CPU's (Figuur 5).

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

De grootte van de nieuwe oplossingen is verder verkleind, wat veel meer kanalen in voertuigplatformen met beperkte ruimte mogelijk maakt. Geïntegreerde circuits voldoen aan de meest strikte veiligheidseisen van de automotive-industrie, met AEC‑Q100-kwalificatie, verbeterde electrostatic discharge (ESD) prestaties, en effecten en diagnostische analyse (FMEDA), ter ondersteuning van ISO 26262-certificering op systeemniveau.

>> Dit artikel was oorspronkelijk gepubliceerd op onze zus‑site, EE Times Europe.