激光雷達(dá)模塊支持提高高速公路速度

LiDAR module supports increased highway speed

What’s LIDAR?

自動(dòng)駕駛技術(shù)的出現(xiàn)，無疑地?cái)U(kuò)大了激光成像探測和測距（LiDAR）傳感器在汽車電子平臺中的應(yīng)用。激光雷達(dá)根據(jù)雷達(dá)原理工作，但使用紅外激光二極管發(fā)射的光脈沖。
Maxim Integrated新推出的MAX40026高速比較器和MAX40660/MAX40661高帶寬跨阻放大器（TIA），通過將帶寬翻倍并在相同尺寸的激光雷達(dá)模塊中增加32個(gè)通道（總共128個(gè)而不是96個(gè)）使高速公路上的自主駕駛速度提高15公里/小時(shí)。

與人工智能、攝像頭和雷達(dá)一樣，傳感器對于輔助駕駛和自主駕駛是不可或缺的。由于激光雷達(dá)傳感器能夠精確測量物體并探測道路上的障礙物——倒下的樹枝、其他汽車，甚至是沖進(jìn)交通中的兒童——激光雷達(dá)傳感器有助于推進(jìn)先進(jìn)駕駛員輔助系統(tǒng)（ADAS）的采用，對自主車輛（AV）的開發(fā)至關(guān)重要。AV對周圍環(huán)境的感知必須非常精確，這就是為什么實(shí)驗(yàn)性的Robocar充滿了傳感器。激光照明系統(tǒng)的使用使自動(dòng)駕駛汽車能夠在低能見度或無能見度條件下，甚至在沒有道路標(biāo)線的情況下運(yùn)行。

Maxim Integrated技術(shù)人員的主要成員Maurizio Gavardoni說：“激光雷達(dá)傳感器在車輛傳感器的融合中發(fā)揮著越來越重要的作用，因?yàn)樗鼈兡軌蛱峁┚_的物體距離測量。“典型的激光雷達(dá)傳感器發(fā)送光脈沖，這些脈沖被物體反射并由光電二極管充分探測，使你能夠繪制周圍環(huán)境的地圖。”

激光雷達(dá)系統(tǒng)基于飛行時(shí)間（ToF），它測量精確的定時(shí)事件（圖1）。最新的發(fā)展已經(jīng)出現(xiàn)了幾個(gè)多光束激光雷達(dá)系統(tǒng)，這些系統(tǒng)可以生成車輛周圍環(huán)境的精確三維圖像。此信息用于選擇最合適的駕駛操作。

Figure 1: Time-of-flight functional diagram

圖2顯示了激光雷達(dá)傳感器的基本布局。激光雷達(dá)系統(tǒng)有兩種基本類型：微脈沖激光雷達(dá)和高能激光雷達(dá)。由于可用計(jì)算能力的不斷提高和激光技術(shù)的進(jìn)步，微脈沖系統(tǒng)得到了發(fā)展。這些新系統(tǒng)使用非常低的功率，大約1瓦，對大多數(shù)應(yīng)用來說完全安全。另一方面，高能激光雷達(dá)在大氣監(jiān)測系統(tǒng)中很常見，傳感器用于探測大氣參數(shù)，如高度、層結(jié)和云密度。

Figure 2: General layout of a LiDAR sensor with the main electronic parts shown

加瓦多尼說：“汽車自動(dòng)駕駛系統(tǒng)正從35英里/小時(shí)發(fā)展到65英里/小時(shí)以上，但更快的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)至關(guān)重要。”。“滿足這些要求所面臨的挑戰(zhàn)[轉(zhuǎn)化為]對物體進(jìn)行高精度的距離測量，[需要]更高的精度，更多的通道來適應(yīng)空間受限的平臺，[并遵守]嚴(yán)格的安全要求。”

激光雷達(dá)硬件

在激光雷達(dá)項(xiàng)目中，跨阻放大器是電子布局中最關(guān)鍵的部分。低噪聲、高增益、低時(shí)延和快速過載恢復(fù)，使其成為距離測量應(yīng)用的理想選擇。

TIA電路通常用于需要緩沖和縮放電光解決方案輸出以實(shí)現(xiàn)高速和高動(dòng)態(tài)范圍的應(yīng)用。TIA是一種電流-電壓轉(zhuǎn)換器，幾乎完全由一個(gè)或多個(gè)運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)（圖3）。

Figure 3: General layout of a TIA with a reverse polarization photodiode

光電晶體管和光電二極管密切相關(guān)，它們將入射的激光轉(zhuǎn)換成電流。為了從這些器件中獲得最大的性能，設(shè)計(jì)者必須特別注意接口電路、波長和光學(xué)機(jī)械對準(zhǔn)。MAX40660/MAX40661跨阻放大器能夠使用高分辨率實(shí)現(xiàn)更快的自動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。在低功耗模式下，TIAs可將電流消耗降低80%以上。Maxim的TIA支持128個(gè)信道，在MAX40660和2.1-pA/√Hz噪聲密度的情況下，帶寬為490 MHz，以提供更高的測量精度（圖4）。

Figure 4: MAX40660 block diagram

同時(shí)，MAX40026是一款單電源高速比較器，用于TOF距離測量應(yīng)用。它的低，10皮秒的傳播延遲色散有助于準(zhǔn)確檢測固定和移動(dòng)目標(biāo)。“較低的色散延遲和每個(gè)系統(tǒng)更多的信道可以實(shí)現(xiàn)更精確的定時(shí)測量，從而提高系統(tǒng)分辨率并實(shí)現(xiàn)更高的驅(qū)動(dòng)速度，”Gavardoni說。
MAX40026的輸入共模范圍為1.5V至VDD+0.1V，與幾種廣泛使用的高速TIA的輸出分支擺動(dòng)兼容。低壓差分信號（LVDS）輸出級將功耗降至最低，并直接與許多FPGA和CPU接口（圖5）。

Figure 5: MAX40026 functional diagram

新解決方案的規(guī)模進(jìn)一步縮小，允許在有限空間的車輛平臺上插入更多的頻道。這些集成電路符合汽車行業(yè)最嚴(yán)格的安全要求，具有AEC-Q100認(rèn)證、改進(jìn)的靜電放電（ESD）性能、效應(yīng)和診斷分析（FMEDA），以便在系統(tǒng)級支持ISO 26262認(rèn)證。

總結(jié)

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