LiDAR-systeem met 2020-visie

Component voor hogere nauwkeurigheid

In de LiDAR-ontvangstketen zijn de transimpedantieversterker (TIA) en de comparator kritische elementen. De nauwkeurigheid van het totale systeem is namelijk voor een belangrijk deel afhankelijk van de tijdvertraging in de onderdelen die in deze functieblokken gebruikt worden. De nieuwe TIA- en comparator-IC’s van Maxim laten zien dat de nauwkeurigheid van Advanced Driver Assistance Systems (ADAS) die LiDAR-technologie gebruiken aanzienlijk is te verbeteren.

Na een zware werkweek krijg je dat fantastische vrijdagavondgevoel als je achterover leunt en naar de grote wedstrijd kijkt op je onlangs gekochte, 75-inch 4K UHD-tv wanneer je plotseling beseft dat je je bril op kantoor hebt achtergelaten. Op dat moment besef je opeens dat het geen zin heeft om een tv te hebben met het beste beeld ter wereld als je het niet goed kunt zien. In zekere zin lijdt lichtdetectie- en afstandstechnologie, beter bekend als LiDAR die momenteel wordt gebruikt in veel geavanceerde rijhulpsystemen (afbeelding 1) en die de toekomstige ontwikkeling van autonome voertuigen zal ondersteunen, aan dezelfde beperkingen als het menselijk gezichtsvermogen.

IC’s voor auto’s
Hoewel er veel onderzoek en ontwikkeling wordt ondernomen om de optische front-end te verbeteren, is de kwaliteit van het beeld dat een LiDAR-systeem van zijn omgeving produceert evenzeer afhankelijk van de prestaties van de back-end-ontvanger-elektronica. Twee van de kritische componenten in de ontvangstsignaalketen zijn de transimpedantieversterker (TIA) en de comparator. In dit artikel bekijken we de belangrijkste functionele vereisten voor deze onderdelen voordat we naar de nieuwe TIA- en comparator-IC’s gaan kijken, die zijn ontworpen om een zeer hoog nauwkeurigheidsniveau te bieden aan toekomstige LiDAR-systemen.

Hoe LiDAR werkt
Een vereenvoudigd blokschema van een LiDAR-systeem wordt getoond in afbeelding 2. Licht dat wordt uitgezonden door een multidimensionale laserstraal wordt teruggekaatst door een invallend object en gedetecteerd met behulp van een fotodetector (of lawinefotodiode). De uitgangsstroom van de detector wordt omgezet in een differentieel spanningssignaal met behulp van een TIA en vervolgens wordt een comparator gebruikt om aan te geven dat het gereflecteerde signaal met succes is gedetecteerd (door een vooraf ingestelde drempel te overschrijden). Omdat de lichtsnelheid constant is, kan de vertraging tussen verzonden en ontvangen lichtsignalen (vliegtijd) worden gemeten en berekend door de MCU (soms met behulp van een speciale signaalverwerkings-IC). In plaats van de comparator kan ook een ADC gebruikt worden. Hiermee kan niet alleen gekeken worden of het terug komende signaal een vooraf ingestelde drempel overschrijdt, maar kan ook uit de signaalsterkte informatie gehaald worden over het oppervlak dat het licht heeft teruggekaatst. De toegepaste ADC moet wel heel erg snel kunnen werken, want verderop zult u lezen dat tijdvertraging niet gewenst is voor een nauwkeurige meting.

Een TIA selecteren
De prestaties van de TIA in de signaalketen van de ontvanger zijn cruciaal voor de algehele werking van het systeem. Om obstakels (vast of bewegend) te detecteren, is een bandbreedte nodig die breed genoeg is om alle details in verschillende wegomstandigheden vast te leggen. Door een hogere bandbreedte kunnen meer pixels worden verkregen, wat bijdraagt aan een

betere resolutie op afstand. De TIA moet de laagst mogelijke ruis hebben om misinterpretaties over langere afstanden te voorkomen. Selecteerbare versterking zorgt voor een groter dynamisch bereik van de ingangsstroom (waardoor de noodzaak voor een andere versterkingstrap later in de signaalketen wordt geëlimineerd). Het IC moet ook bestand zijn tegen hoge ingangsstromen wanneer er veel licht op de fotodiode valt. Daarna moet hij zich snel weer weten te herstellen naar een normaal ingangssignaal.
Aangezien het optische front-end van een LiDAR-systeem een aanzienlijke hoeveelheid stroom verbruikt, zou het idealiter mogelijk moeten zijn om de TIA in de energiebesparende modus te plaatsen wanneer het kanaal niet in gebruik is.
De TIA’s in afbeelding 3 zijn speciaal ontworpen om aan deze criteria te voldoen. Met bandbreedtes van 160 MHz (MAX40661) en 490 MHz (MAX40660), kunnen ze ingangsstroompulsen versterken met een pulsbreedte van slechts enkele nanoseconden, wat een grotere resolutie oplevert. Met een ruisgetal van 2,1 pA√Hz verdwijnen kleine signalen niet zo snel beneden het ruisniveau. Slecht reflecterende objecten of objecten ver weg kunnen hierdoor beter gedetecteerd worden. Het dynamische bereik kan worden aangepast met behulp van twee selecteerbare transimpedantiewaarden van 25 kΩ en 50 kΩ, waardoor de noodzaak van een volgende versterkingsfase mogelijk wordt geëlimineerd.

Beide IC’s zijn robuust genoeg om ingangsstromen tot 2 A gedurende 10 ns te weerstaan en hebben een snelle hersteltijd van de overbelastingsstroom van slechts 2 ns (tot 100 mA). Wanneer ze niet worden gebruikt, kunnen ze in een energiezuinige modus worden geplaatst en verbruiken ze slechts 26 mW.

Zowel de MAX40661 als de MAX40660 zijn AEC-Q100-gekwalificeerd en hun FMEDA-resultaten zijn beschikbaar om ASIL-conformiteitsberekeningen op systeemniveau te ondersteunen. Ze zijn verkrijgbaar in een 3 mm x 3 mm TDFN-behuizing met tien aansluitingen waardoor ze een uitstekende keuze zijn voor LiDAR-toepassingen in de auto-industrie.

Een comparator kiezen
Bij LiDAR wordt de tijd gemeten die de lichtpuls er over doet om van de laser naar het object en weer terug te gaan. Deze tijd gedeeld door twee is de tijd die wordt gebruikt samen met de lichtsnelheid om de afstand te bepalen. Nu is de lichtsnelheid heel hoog en is dus de tijd dat de lichtpuls nodig heeft om heen en weer te gaan heel kort. Enige tijdvertraging in met name de comparator kan daarbij leiden tot problemen met de resolutie. Het interval tussen de pulsen van de laser mag immers niet korter zijn dan de tijdvertraging in het systeem. Een grote vertraging zorgt er daarbij voor dat de resolutie van de LiDAR lager wordt, hetgeen bij het toepassen van deze technologie in een zelfrijdende auto er voor zorgt dat de snelheid niet hoog mag zijn.
Naast de vaste tijdvertraging is er ook een niet constante tijdvertraging die o.a. wordt veroorzaakt door inwendige capaciteiten. Deze niet constante vertraging levert een meetfout op die door de snelheid van het licht van 300.000 km/s als heel snel heel groot kan zijn. Een variatie in de vertraging van 1,6 ns levert zo een meetfout op van 24 cm.

De nieuwe comparators MAX40025 en MAX40026 (afbeelding 4) zijn met hun vertraging van slechts 280 ps zeer geschikt voor LiDAR-toepassingen. Met een variatie in de vertraging van slechts 10 ps, is hierdoor de meetfout slechts 0,15 cm. De LVDS-uitgang (low-voltage differentieel signal) helpt de vermogensdissipatie te minimaliseren (39,4 mW met een voeding van 2,7 V), terwijl het ook een gemakkelijke interface met veel FPGA’s en CPU’s mogelijk maakt. Complementaire uitgangen helpen daarbij de common-mode-ruis op elke uitgangslijn te onderdrukken (typisch 80 dB).
De beide IC’s zijn geschikt voor een heel breed temperatuurbereik van -40…+125 °C en zijn leverbaar in een WLP- of TDFN-behuizing (afbeelding 5).

Tot slot
De nieuwe IC’s die Maxim uitgebracht heeft, maken het mogelijk om goedkope en vooral kleine LiDAR-sensoren te maken die door hun nauwkeurigheid en temperatuurbereik zeer geschikt zijn als ogen voor een zelfrijdende auto. Gezien hun specificaties zijn ze echter ook voor andere applicaties geschikt waar het gaat om een grote bandbreedte en weinig tijdvertraging.

Auteurs: Veronique Rozan en Michael Jackson