Zorg voor precisie van de LiDAR Automotive-afstandssensor met de juiste TIA

Autonome voertuigen hebben alleen kans van slagen als de passagiers erop kunnen vertrouwen dat de sensors en software van de auto hen veilig en accuraat naar hun bestemming leiden. De sleutel tot het waarmaken van vertrouwen ligt in de fusie van inputs van verschillende soorten sensors om de nauwkeurigheid, redundantie en veiligheid te verbeteren, een techniek die geavanceerde ondersteuningssystemen voor bestuurders (ADAS) mogelijk heeft gemaakt. Een van de belangrijkste sensors is lichtdetectie en -transmissie (LiDAR), en ontwerpers moeten ervoor zorgen dat het LiDAR-systeem de hoogste betrouwbaarheid, resolutie, precisie en responstijd heeft voor zelfrijdende auto's.

De prestaties van LiDAR zijn sterk afhankelijk van de transimpedantieversterker (TIA) aan de voorzijde, die snel het signaal van een lawinefotodiode (APD) opvangt om digitale feedback te geven. Door de tijdstempel van het teruggekoppelde signaal te vergelijken met de tijdstempel van het uitgezonden signaal, kan de vluchttijd (ToF) worden berekend voor de afstandbepaling.

In dit artikel worden in het kort de problemen besproken die samenhangen met de ontwikkeling van de prestaties van het terugkoppelingscircuit voor nauwkeurige objectdetectie met behulp van LiDAR. Vervolgens zal zij een Analog Devices TIA introduceren. Er zal worden aangetoond hoe gebruik kan worden gemaakt van zijn hoge snelheid, bandbreedte en lage ingangsimpedantie voor een snel herstel van gereflecteerd licht dat een nanoseconde (ns) stijgtijd van de fotodiode kan opleveren. Om de beste algemene prestaties te bereiken, zal ook worden aangetoond hoe de APD-donkstroom en het omgevingslicht via AC-koppeling kunnen worden genegeerd om nauwkeurige ToF-schattingen mogelijk te maken.

Belangrijkste elementen van ADAS

De kern van ADAS wordt gevormd door gesofisticeerde detectiesystemen om externe objecten te analyseren. Door de identificatie en locatie van deze objecten kan een voertuig de bestuurder waarschuwen of de nodige actie ondernemen - of beide - om incidenten te vermijden. De sensortechnologieën achter ADAS kunnen onder meer een beeldcamera, traagheidsmetingseenheden (IMU's), radar en natuurlijk LiDAR omvatten. Hiervan is LiDAR een kritische optische technologie die autonome voertuigen slecht weer en zijdelingse afstandsbepaling en -bepaling laat uitvoeren. Het vormt een integrerend onderdeel van een ADAS-systeem (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: Visionsystemen (camera's en bijbehorende software), radarsystemen en LiDAR-systemen vullen elkaar aan om een ADAS te informeren zodat het de juiste actie kan ondernemen. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Een ADAS-systeem maakt gebruik van camera's om externe objecten zoals voertuigen, voetgangers, obstakels, verkeersborden en rijstrookmarkeringen snel en accuraat te detecteren en te herkennen. De analyse leidt tot de juiste reactie om de veiligheid te maximaliseren. De respons omvat onder meer een waarschuwing bij het onbedoeld verlaten van de rijstrook, automatisch remmen in noodgevallen, dodehoekwaarschuwing en een waarschuwingsfunctie voor de bestuurder. De sterke punten van de camera zijn objectclassificatie en zijdelingse resolutie.

Het autonome IMU-systeem meet hoek- en lineaire bewegingen, gewoonlijk met een triade van gyroscopen, magnetometers en versnellingsmeters. Een IMU is cardanisch bevestigd om op betrouwbare wijze geïntegreerde hoeksnelheids- en versnellingsgrootheden te produceren. Een gimbal is een draaibare steun waarmee een voorwerp om één enkele as kan worden gedraaid. Een set van drie gimbals, de een op de ander gemonteerd met orthogonale scharnierassen, maakt het mogelijk dat een object dat op de binnenste gimbal is gemonteerd, onafhankelijk blijft van de rotatie van zijn drager. De IMU verbetert de GNSS-nauwkeurigheid van meters (m) tot centimeters (cm) voor een nauwkeurige positiebepaling op de rijstrook.

Aanpassingen van de autoradartechnologie meten veel verschillende variabelen, waaronder afstand en snelheid, en zorgen tevens voor "zichtbaarheid" bij duisternis. Gewoonlijk worden 24 en 77 gigahertz (GHz) signaalsnelheden gebruikt voor hoge resolutie. De radarsensor vangt de weerkaatste signalen van verschillende voorwerpen binnen zijn gezichtsveld op. Het voertuig analyseert vervolgens de sensoroutput binnen de context van alle andere sensorinputs om te bepalen of bijsturing van de besturing en het remmen nodig is om bijvoorbeeld botsingen te voorkomen.

Om het ADAS-plaatje compleet te maken, maakt LiDAR gebruik van optiek met een spectraal responsbereik tussen 200 en 1150 nanometer (nm). Het systeem meet de ToF van het uitzenden van de laser tot de ontvangst van de weerkaatste signalen. De bundeling van een groot aantal signalen maakt het mogelijk nauwkeurige multidimensionale dieptekaarten van de omgeving van het voertuig te maken. Toepassingen voor LiDAR zijn onder meer het vermijden van botsingen, detectie van dode hoeken, noodremmen, adaptieve cruise control, dynamische ophangingsregeling en parkeerhulp. LiDAR-systemen overtreffen de radar op het gebied van laterale resolutie en mogelijkheden onder slechte weersomstandigheden.

ADAS en autonome voertuigen vereisen een veelvoud van deze sensoren die rond het voertuig worden geplaatst voor 360˚-detectie en -analyse (figuur 2).

Afbeelding 2: camera's, radar en LiDAR zorgen samen voor een gezichtsveld van 360° rond voertuigen om de veiligheid van de mensen binnen en buiten te garanderen. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Naarmate deze sensors en de bijbehorende software verbeteren, zullen bestuurders, passagiers en iedereen in de nabijheid van het voertuig veiliger worden.

LiDAR-optiek

LiDAR-ontwerpen zijn geëvolueerd van "koffieblikken"-sensors die op het dak van een auto draaien en ongeveer 75.000 dollar kosten, tot modernere benaderingen die ongeveer 1.000 dollar per stuk kosten. De kostenvermindering is hoofdzakelijk toe te schrijven aan de vooruitgang op het gebied van lasers en aanverwante elektronica. De verschuiving naar lasers die alleen op halfgeleiders werken (in plaats van een ronddraaiend koffieblikje) en de daarmee gepaard gaande schaalvergroting in halfgeleiderprocessen zijn de belangrijkste redenen waarom kosten en omvang zijn afgenomen. Nu kunnen meerdere LiDAR-sensors worden geplaatst aan de voor- en achterkant van het voertuig, evenals aan de zijkanten, voor een goedkoop 360˚-zicht.

Een typisch LiDAR-ontwerp kan worden onderverdeeld in drie hoofdsecties: data-acquisitie (DAQ), analoog front-end (AFE), en laserbron (Afbeelding 3).

Afbeelding 3: Een uitsplitsing van een LiDAR-evaluatiesysteem laat zien dat een LiDAR uit drie hoofdonderdelen bestaat: een DAQ, een AFE, en een laserbron. (Bron afbeelding: Analog Devices)

De DAQ bevat een snelle analoog/digitaal-convertor (ADC) en de bijbehorende voeding en klokken om de ToF-gegevens van de laser en de AFE te verzamelen. De AFE bevat de APD-lichtsensor en de TIA om het weerkaatste signaal op te vangen. De gehele signaalketen conditioneert het APD-uitgangssignaal, dat wordt ingevoerd in de ADC in het DAQ-gedeelte. De AFE neemt ook de timing van de vertraging op in zijn uitvoer naar de DAQ. Het lasergedeelte bevat de lasers en de bijbehorende aandrijfschakelingen en zendt het initiële laseruitgangssignaal.

De LiDAR AFE

Zoals blijkt uit Afbeelding 4, begint een voorbeeld van een LiDAR-ontvangersignaalketen met een hoog voltage reverse bias (-120 tot -300 volt), APD met lage ingangscapaciteit, gevolgd door een TIA, zoals de LTC6561HUF#PBF van Analog Devices. Het is belangrijk te ontwerpen voor lagere APD-ingangs- en printplaatparasitaire capaciteiten om de TIA's hoge-snelheids 220 MHz gain-bandwidth product (GBWP) aan te vullen. Het TIA-ingangsgedeelte vereist extra aandacht om het gewenste niveau van signaalintegriteit en kanaalisolatie te bereiken, zodat er geen extra ruis wordt toegevoegd aan het door de APD gegenereerde stroomsignaal, waardoor de SNR en de objectdetectiesnelheid van het systeem worden gemaximaliseerd.

Om de signaalintegriteit te verbeteren, is de TIA voorzien van een laagdoorlatend versterkerfilter, LT6016 van Analog Devices, dat signaalringing bij hoge snelheid dempt. De TIA zet de APD-uitgangsstroom (I_APD) om in een uitgangsspanning, V_TIA. De spanning V_TIA wordt doorgegeven aan de differentiële bufferversterker (Analog Devices' ADA4950-1YCPZ-R7) die de ingang van de ADC aandrijft (niet afgebeeld).

Afbeelding 4: Een AFE voor dit ontwerp bestaat uit de APD, de LTC6561 TIA, en de ADA4950 differentiële in/out hogesnelheidsversterker. De LT6016 is een versterkerfilter dat het rinkelen van hoge-snelheidssignalen dempt. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Om de afstand met behulp van de ToF te berekenen, wordt de toename van de bemonsteringsfrequentie van de ADC gebruikt om de resolutie van de ontvangen lichtpuls te bepalen, Vergelijking 1:

Vergelijking 1

met

_LS = lichtsnelheid (3 x¹⁰⁸ m/seconde (m/s))

f_S = ADC bemonsteringsfrequentie

N = aantal ADC-monsters in het tijdsinterval tussen het moment waarop een lichtpuls wordt gegenereerd en het moment waarop de reflectie wordt ontvangen

Als de sample-snelheid van de ADC bijvoorbeeld 1 GHz is, komt elk sample overeen met een afstand van 15 cm.

De bemonsteringsonzekerheden moeten vrijwel nul zijn, aangezien zelfs een paar steekproeven van onzekerheid tot aanzienlijke meetfouten leiden. LiDAR-systemen maken dan ook gebruik van parallelle TIA's en ADC's om de bemonsteringsonzekerheid op nul te brengen. Deze toename van het aantal kanalen verhoogt de vermogensdissipatie en de afmetingen van de printplaat. Deze kritische ontwerpbeperkingen vereisen ook seriële uitgangs-ADC's met hoge snelheid en JESD204B interfaces om parallelle ADC-problemen op te lossen.

LiDAR-sensors

Zoals gezegd is het belangrijkste waarnemingselement in een LiDAR-systeem de APD. De sperspanning van deze fotodiodes, met interne versterking, varieert van tientallen volts tot honderden volts. De signaal-ruisverhouding (SNR) van de APD is hoger dan die van een PIN-fotodiode. Bovendien onderscheiden de APD's zich door hun snelle tijdrespons, lage donkerstroom en hoge gevoeligheid. Het spectrale responsbereik van de APD ligt tussen 200 en 1150 nm en komt zo overeen met het typische spectrale bereik voor LiDAR.

Een goed voorbeeld van een APD is de MTAPD-07-010 van Marktech Optoelectronicsmet een spectrale respons van 400 tot 1100 nm, met een piek bij 905 nm (Afbeelding 5). Het actieve gebied van het toestel meet 0,04 millimeter in het vierkant (mm²). Hij verbruikt 1 milliwatt (mW), heeft een voorwaartse stroom van 1 milliampère (mA), en een bedrijfsspanning van 0,95 x zijn doorslagspanning (Vbr) van 200 volt (max). De stijgtijd is 0,6 ns.

Afbeelding 5: De MTPAPD-07-0101 APD heeft een piekresponsie bij 905 nm, een actief oppervlak van 0,04 mm², en een stijgtijd van 6 ns. (Afbeelding bron: Marktech Optoelectronics)

De typische op halfgeleiders gebaseerde APD werkt met een relatief hoge sperspanning in de tientallen of zelfs honderden volts, soms net onder de doorslag (volgens de MTAPD-07-010 bij 0,95 Vbr). In deze configuratie exciteren de geabsorbeerde fotonen elektronen en gaten in het sterke interne elektrische veld om secundaire dragers te genereren. Over een paar micrometer versterkt het lawineproces effectief de fotostroom.

Als gevolg van hun werkingskenmerken vereisen APD's minder elektronische signaalversterking en zijn zij minder gevoelig voor elektronische ruis, waardoor zij bruikbaar zijn met uiterst gevoelige detectoren. De vermenigvuldigings- of versterkingsfactor van silicium-APD's varieert afhankelijk van het apparaat en de toegepaste sperspanning. De MTAPD-07-010 heeft een versterking van 100.

TIA-oplossingen

Tijdens de werking zendt de LiDAR een digitaal optisch burstsignaal uit, waarvan de reflecties worden opgevangen door de MTAPD-07-010 APD. Dit vereist een TIA met een snelle hersteltijd voor verzadigingsoverbelasting, en een snelle multiplexing van de uitgang. De LTC6561 ruisarme vierkanaals TIA met een bandbreedte van 220 megahertz (MHz) voldoet aan deze eisen (Afbeelding 6).

Afbeelding 6: De LTC6561 Quad TIA met onafhankelijke versterkers en één gemultiplexte eindtrap is ontworpen voor LiDAR met APD's. (Bron afbeelding: Analog Devices)

In Afbeelding 6 worden gereflecteerde lasersignalen (volgens Afbeelding 3) opgevangen door de APD-reeks en de vier ruisarme, 200 MHz TIA's. De TIA's zenden de opgevangen signalen snel door naar de ToF-detector (rechtsboven). De condensators van 1 nanofarad (nF) op de ingang van de vier TIA's filteren en elimineren effectief de APD-donkerstroom en omgevingslichtcondities, waarbij het dynamische bereik van de TIA's behouden blijft. De waarde van de condensators beïnvloedt echter de schakeltijden, zodat ontwerpers daar bij hun ontwerp rekening mee moeten houden.

Onder intense optische verlichting kunnen APD's grote stromen geleiden, vaak meer dan 1 ampère (A). De LTC6561 overleeft en herstelt snel van grote overbelastingsstromen van deze omvang. Snel herstel van overbelasting is van cruciaal belang voor LiDAR-toepassingen. Snel herstel van 1 mA overbelasting duurt 10 ns (Afbeelding 7).

Afbeelding 7: De LTC6561 overleeft en herstelt snel in 10 ns van grote overbelastingsstromen van 1 mA. (Bron afbeelding: Analog Devices)

In Afbeelding 7 wordt de breedte van de uitvoerpuls breder naarmate de ingangsstroom het lineaire bereik overschrijdt. De hersteltijd blijft echter in de 10s van ns. De LTC6561 herstelt van 1 mA verzadigingsgebeurtenissen in minder dan 12 ns zonder fase-omkering, waardoor gegevensverlies tot een minimum beperkt blijft.

Conclusie

De weg naar succesvolle autonome voertuigen begint met de integratie en samensmelting van camera's, IMU's, radar en LiDAR. Met name LiDAR is veelbelovend wanneer de problemen in verband met de precieze detectie van objecten met behulp van deze optische technologie worden begrepen en adequaat worden aangepakt.