LiDAR如何為自動駕駛汽車提供關(guān)鍵距離傳感

如果您正在設(shè)計自動駕駛汽車應(yīng)用，您就會知道 LiDAR（光檢測和測距）的重要性。LiDAR 是執(zhí)行自動駕駛汽車距離傳感的關(guān)鍵光學(xué)技術(shù)，是高級駕駛輔助系統(tǒng) （ADAS） 的重要組成部分，對自動駕駛汽車至關(guān)重要。其性能取決于光前端，以及信號如何通過信號鏈傳輸然后進(jìn)行處理。該信號鏈中的一個重要元件是跨阻放大器（TIA）。在這篇博文中，我將概述LiDAR的工作原理，并討論在有效的TIA中尋找什么。

在LiDAR應(yīng)用中，激光納秒脈沖脈沖從光源發(fā)送并從視圖中的對象反射。檢測反射光，飛行時間（ToF）創(chuàng)建視圖中物體的距離圖（圖1）。

圖1.汽車激光/接收器系統(tǒng)（A）的視圖以餅形角度捕獲物品。ToF數(shù)據(jù)測量（B）物體與激光/接收器系統(tǒng)的距離。

在圖1中，來自汽車激光器（A）的納秒脈沖信號脈沖將光發(fā)送到視圖中的目標(biāo)區(qū)域。一旦激光信號爆發(fā)擊中物體，光線就會回到汽車上。車輛中的電子設(shè)備通過ToF數(shù)據(jù)標(biāo)記捕獲返回的信號。ToF的度量是返回激光/接收器系統(tǒng)位置的往返時間。為了收集完整的ToF數(shù)據(jù)，激光/接收器系統(tǒng)跨越整個視圖。

ToF數(shù)據(jù)創(chuàng)建一個距離圖（B），提供物體與激光/接收器系統(tǒng)的距離。在圖 1.B 中，距離較小的數(shù)據(jù)值表示距離較近的項目，距離較大的數(shù)據(jù)值表示項目較遠(yuǎn)。根據(jù)激光/接收器ToF數(shù)據(jù)（B），紅色數(shù)字（女性）是最接近的，其次是黃色物體（一棵樹），最后是遠(yuǎn)處的綠色物體（城市公共汽車）。視圖中的區(qū)域不斷來回掃描，以獲得全面和持續(xù)的覆蓋。

激光/接收器系統(tǒng)電子元件概覽

激光/接收器系統(tǒng)由多個光電二極管、一個激光二極管和用于發(fā)送和接收光信號的支持電子設(shè)備組成（圖 2）。

圖2.激光/接收器系統(tǒng)將光穿過視圖，以找到具有激光反射的物體。

在圖2中，激光驅(qū)動器向物體發(fā)射激光脈沖，并通過D反饋一幀時間參考信號。2、TIA2 和 COMP2 到微控制器 （MCU）。激光傳播到玻璃板上，玻璃板將激光信號反射到MCU，并通過發(fā)射器光學(xué)器件（指定鏡頭）反射。

發(fā)射的脈沖到達(dá)物體并反射到激光/接收器系統(tǒng)。一旦通過接收器光學(xué)器件和鏡面反射，光線就會撞擊InGaAs光電二極管（D1).InGaAs光電二極管是一種高靈敏度半導(dǎo)體電子器件，光學(xué)靈敏度帶寬為1310nm至1550nm。

D上即將來臨的曙光1可能明亮或昏暗，具體取決于行駛的距離。此外，大氣中可能存在污染物，為了混淆系統(tǒng)，可能存在干擾幻影燈。該 D1將光轉(zhuǎn)換為電流（ID1），它進(jìn)入跨阻放大器#1（TIA1）和比較器#1（COMP1）。

光電二極管背后的大腦

TIA1 和 COMP1 是光電二極管所見內(nèi)容背后的大腦。TIA1的頻率帶寬保持了返回脈沖上升和下降時間的完整性，并允許采集更多像素。TIA1 還可以安全地承受較大的瞬態(tài)輸入過載電流并從中快速恢復(fù)。

低本底噪聲可捕獲物體的細(xì)節(jié)，從而為后續(xù)比較器產(chǎn)生準(zhǔn)確的輸出。動態(tài)范圍的進(jìn)一步增強(qiáng)包括可編程增益功能。此外，由于LiDAR系統(tǒng)的光前端消耗大量功率，因此將TIA1和TIA2置于低功耗模式可能是有利的。圖 3 中的 TIA 設(shè)計專門解決了這些挑戰(zhàn)。

圖3.MAX40660/MAX40661跨阻放大器，用于汽車LiDAR系統(tǒng)

MAX40661和MAX40660跨阻放大器分別提供160MHz和490MHz的高帶寬。這些器件通過放大高速納秒輸入電流脈沖來提供高分辨率。2.1pA√Hz 的噪聲密度可提供更高的系統(tǒng)精度和更長距離的操作。動態(tài)范圍調(diào)整使用兩個引腳可選的跨阻值：25kΩ 和 50kΩ，無需額外的放大級來匹配具有不同寄生電容的不同光電二極管。這些器件可耐受高達(dá) 2A 的輸入電流 10ns，并具有 2ns 的快速過載電流恢復(fù)時間。不使用時，低功耗模式僅消耗26mW的功率。這些 IC 符合 AEC-Q100 標(biāo)準(zhǔn)，其 FMEDA 結(jié)果可用于輔助系統(tǒng)級的 ASIL 一致性計算。它們采用 3mm x 3mm 10 引腳 TDFN 封裝，為了提高制造吞吐量，該封裝具有側(cè)面可潤濕側(cè)翼。

這些電路中的比較器 COMP1 和 COMP2 將 TIA 的模擬輸出更改為干凈的數(shù)字信號（圖 4）。

圖4.MAX40025/MAX40026跨阻放大器，用于汽車LiDAR系統(tǒng)。

MAX40025封裝采用1.218mm x 0.818mm、6焊球晶圓級封裝（WLP），MAX40026采用2mm x 2mm 8引腳TDFN側(cè)可潤濕封裝，符合AEC-Q100汽車認(rèn)證要求。

總結(jié)

自動駕駛汽車的商業(yè)化代表著一個令人興奮的旅程，ADAS中的LiDAR技術(shù)有望成為自動駕駛汽車未來的重要參與者。通過關(guān)注光前端的操作，本博客探討了接收器信號鏈的電子元件如何在系統(tǒng)性能中發(fā)揮重要作用。此處重點(diǎn)介紹的LiDAR就緒TIA和比較器提供了LiDAR應(yīng)用所需的前所未有的系統(tǒng)精度水平。

審核編輯：郭婷