Das Verständnis der Funktionsweise von LiDAR zeigt, wie wichtig eine sorgfältige Auswahl von TIA und Komparator ist

LiDAR (Light Detection and Ranging) wird vor allem mit dem Automobilbau in Verbindung gebracht, wo man davon träumt, dass es zur Verwirklichung einer freihändigen Zukunft beitragen kann. Konkret werden digital gesteuerte optische Signale von einem 3D-Scanner ausgesendet, der die reflektierten Signale erfasst, um die Umgebung zu analysieren und die Entwicklung immer fortschrittlicherer Fahrerassistenzsysteme (ADAS) zu unterstützen. Die Träumer hatten die richtige Idee, auch wenn sich die Umsetzungen heute stark von dem klassischen „Kaffeekannen“-Ansatz unterscheiden (Abbildung 1).

Abbildung 1: LiDAR-Sensoren für Kraftfahrzeuge sind wichtige Komponenten für ADAS, auch wenn sie sich gegenüber dem ursprünglichen Konzept der Kaffeedose stark weiterentwickelt haben. (Bildquelle: Research Gate)

Frühe Entwickler dachten, dass ein 360-Grad-Bild der richtige Weg sei, aber diese Lösung war ein wenig teuer, so dass sie nicht vollständig kommerziell genutzt werden konnte. Jetzt scheint es, dass Automobilanwendungen nur die Fähigkeit erfordern, in Vorwärtsrichtung, bei Bedarf auch rückwärts und gelegentlich rechts und links zu kartieren, was die Tür zu wirtschaftlicheren Designs öffnet.

Aber ich schweife ab. Wenn man sich nur auf Automobilsysteme konzentriert, wird man dem Potenzial von LiDAR nicht gerecht. Daher sollten wir LiDAR aus einer allgemeinen Perspektive betrachten und zunächst seine Funktionsweise verstehen.

Transimpedanzverstärker dominieren den LiDAR-Kern

Der Schlüssel zu LiDAR ist die Messung der Laufzeit eines optischen Signals vom Zeitpunkt der Aussendung bis zur Rückkehr als Reflexion von einem Objekt. Die Technologie funktioniert sehr gut mit einer Reihe von digitalen Signalen, die von einem Lasertreiber an eine Laserdiode gesendet werden. Das LiDAR-System sucht nach Signalflanken statt nach der Signalfrequenz (Abbildung 2). Diese Erkennungsmethode setzt einen guten Transimpedanzverstärker (TIA) voraus.

Abbildung 2: Die Laserdiode sendet einen digitalen Lichtimpuls aus, und ein TIA erfasst den Rückimpuls. (Bildquelle: Analog Devices Inc./Maxim Integrated)

In Abbildung 2 umfasst die Schaltung des LiDAR-Signalempfängers einen TIA MAX40660 von Analog Devices/Maxim Integrated mit hoher Bandbreite und einen 280ps-Highspeed-Komparator (COMP, ps: Pikosekunden) MAX40025 von Analog Devices Inc./Maxim Integrated mit extrem niedriger Dispersion.

Der MAX40660 bildet das Empfängerglied der optischen Abstandsmesskette. Er wurde für LiDAR im Automobilbereich entwickelt und zeichnet sich daher neben geringem Rauschen, hoher Verstärkung und geringer Gruppenlaufzeit durch eine schnelle Ausgangserholung bei Überlast, eine Eingangsstromklemme und eine eingangsbezogene Rauschdichte von 2,1 Picoampere (pA) aus. Er verfügt über eine per Pin wählbare Transimpedanz von 25 Kilohm (kΩ) und 50 kΩ sowie eine große Bandbreite von 490 Megahertz (MHz) (typisch) mit einer Eingangskapazität von 0,5 Picofarad (pF).

Das Frontend dieses optischen Erkennungssystems ist im Wesentlichen ein Fotodetektor, bei dem sorgfältige Designentscheidungen und die Umsetzung bewährter Methoden erforderlich sind, um das optische Signal effektiv zu erfassen. Dies führt zu einem TIA mit einzigartigen Bandbreiten- und Rauschspezifikationen, die die Erkennung von festen oder beweglichen Objekten ermöglichen. Die große Bandbreite des TIA MAX40660 erfasst unterschiedliche physikalische Zustandsdetails, und sein geringes Rauschen senkt den Verzerrungsgrad.

Der Highspeed-Komparator MAX40025 arbeitet als Ein-Bit-Analog/Digital-Wandler (ADC). Die Übersteuerungsdispersion ist mit 25 Pikosekunden (ps) extrem niedrig, wodurch sich dieser Komparator ideal für Entfernungsmessanwendungen per Laufzeitmessung (ToF) eignet. Mit dem MAX40025 wird das optische TIA-Signal mit der typischen Laufzeitverzögerung des Komparators von 280 ps in eine saubere „1“ oder „0“ umgewandelt.

Je nach zurückgelegter Strecke kann das auf D₁ auftreffende Licht hell oder schwach sein. Außerdem können Verunreinigungen in der Atmosphäre vorhanden sein, und um das System weiter zu verwirren, kann es störende Phantomlichter geben.

Um diese Auswirkungen auszugleichen, umfasst der effektive Einsatz von LiDAR-Systemen in der realen Welt mehrere Disziplinen. Anwendungen in der Automobilindustrie erfordern die Verschmelzung von LiDAR-, Radar- und Kamerasensoren. Die Kartierung mit Drohnen und GPS liefert Forschern und Ingenieuren 3D-Bilddetails, um die Grundlagen für Bauprojekte zu schaffen. Die bathymetrische oder Unterwasser-LiDAR-Kartierung bestimmt die Lage von Unterwasserstrukturen. Diese und zahlreiche andere Anwendungen haben ihre eigenen Anforderungen an die LiDAR-Konstruktion.

LiDAR und das elektromagnetische Spektrum

Am Frontend des optischen Systems in Abbildung 2 erfasst die Fotodiode D₂ das austretende Licht zur Signalsteuerung, während D₁ das zurückkehrende Licht erfasst. Dieses elektromagnetische optische Signal kann vom Ultravioletten bis zum Infraroten reichen (Abbildung 3).

Abbildung 3: Das elektromagnetische Spektrum ist der Bereich der elektromagnetischen Strahlung, von dem nur ein winziger Teil in den sichtbaren Bereich fällt. (Bildquelle: Cosmos)

Die meisten LiDAR-Systeme verwenden Infrarot-Lasersysteme mit Avalanche-InGaAs-Silizium für D₁ und D₂, die eine optische Wellenlänge von 1310 Nanometern (nm) bis 1550 nm haben. Es gibt jedoch auch LiDAR-Systeme, die sichtbare optische Signale verwenden.

Fazit

Neben seinen zahlreichen Anwendungen ist LiDAR ein entscheidendes Element auf dem Weg zu immer intuitiveren ADAS und schließlich zum vollständig autonom fahrenden Auto. In dem Maße, wie sich diese Technologien verbessern, werden auch die Anforderungen an die unterstützenden Komponenten für LiDAR immer strenger. Wie in diesem Artikel beschrieben, können LiDAR-Signalempfängerschaltungen, die auf dem TIA MAX40660 mit hoher Bandbreite und dem 280 ps schnellen Highspeed-Komparator MAX40025 basieren, die Grundlage für ein solides Automotive-LiDAR-Frontend bilden.