Garantire la precisione di un sensore di distanza LiDAR automotive con il giusto TIA

Per declamare il successo dei veicoli autonomi, i passeggeri devono fidarsi che i sensori e il software dell'auto li guidi in modo sicuro e preciso a destinazione. La chiave per questa fiducia sta nella fusione di input da vari tipi di sensori per migliorare la precisione, la ridondanza e la sicurezza, una tecnica che ha permesso la nascita dei sistemi avanzati di assistenza alla guida (ADAS). Uno dei sensori principali è il cosiddetto LiDAR (imaging, rilevamento e telemetria mediante luce) e i progettisti devono garantire che il sistema LiDAR abbia i massimi livelli di affidabilità, risoluzione, precisione e tempo di risposta per le auto a guida autonoma.

Le prestazioni LiDAR si basano soprattutto sull'amplificatore in transimpedenza (TIA) front-end, che recupera rapidamente il segnale di un fotodiodo a valanga (APD) per la retroazione digitale. Confrontando la firma temporale del segnale di retroazione a quella del segnale trasmesso, si può calcolare il tempo di volo (ToF) del rilevamento.

Questo articolo discuterà brevemente i problemi associati allo sviluppo delle prestazioni del circuito di retroazione per il rilevamento preciso degli oggetti utilizzando LiDAR. Presenterà poi un TIA di Analog Devices e mostrerà come approfittare della sua alta velocità, larghezza di banda e bassa impedenza di ingresso per un rapido recupero dalla luce riflessa che può produrre tempi di salita dei fotodiodi nell'ordine dei nanosecondi. Per le migliori prestazioni complessive, mostrerà anche come respingere la corrente di buio dell'APD e la luce ambiente attraverso l'accoppiamento in c.a. per permettere stime accurate del ToF.

Elementi chiave di ADAS

Nel cuore di un ADAS vi sono sofisticati sistemi di rilevamento che analizzano gli oggetti esterni. L'identificazione e la localizzazione di questi oggetti permettono a un veicolo di avvisare il conducente o di intraprendere l'azione appropriata - o entrambe le cose - per evitare incidenti. Le tecnologie dei sensori alla base degli ADAS possono includere una telecamera a immagini, unità di misurazione inerziale (IMU), radar e, naturalmente, LiDAR. Tra questi, il LiDAR è una tecnologia ottica cruciale che esegue il rilevamento e la misurazione della distanza laterale e delle condizioni atmosferiche per i veicoli autonomi. È parte integrante di un sistema ADAS (Figura 1).

Figura 1: I sistemi di visione (telecamere e relativo software), radar e LiDAR si completano a vicenda per informare un ADAS affinché possa intraprendere azioni appropriate. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Un sistema ADAS utilizza le telecamere per rilevare e riconoscere gli oggetti esterni come veicoli, pedoni, ostacoli, segnali stradali e linee delle corsie, in modo rapido e preciso. L'analisi innesca la risposta appropriata per massimizzare la sicurezza. Le risposte includono l'avviso di uscita di corsia, la frenata automatica di emergenza, gli avvisi di punto cieco e il monitoraggio dei riflessi e l'allerta del conducente. I punti di forza della telecamera sono la classificazione degli oggetti e la risoluzione laterale.

Il sistema IMU autonomo misura il movimento angolare e lineare, di solito con una terna di giroscopi, magnetometri e accelerometri. Un IMU ha un giunto cardanico per produrre in modo affidabile quantità integrate di velocità angolare e accelerazione. Un giunto cardanico è un supporto che permette la rotazione di un oggetto intorno a un singolo asse. Un insieme di tre giunti cardanici, uno montato sull'altro con assi di rotazione ortogonali, permette a un oggetto montato sul giunto cardanico più interno di rimanere indipendente dalla rotazione del suo supporto. L'IMU migliora la precisione GNSS dai metri ai centimetri per un accurato posizionamento in corsia.

Gli adattamenti della tecnologia radar automotive misurano molte variabili diverse, tra cui la distanza e la velocità, fornendo anche "visibilità" nell'oscurità. Di solito, per l'alta risoluzione sono usate velocità del segnale di 24 e 77 GHz). Il sensore radar acquisisce i segnali riflessi da diversi oggetti nel suo campo visivo. Il veicolo analizza quindi l'uscita del sensore nel contesto di tutti gli altri input per determinare se è necessario correggere la sterzata e la frenata, ad esempio, per prevenire le collisioni.

Per completare il quadro ADAS, LiDAR utilizza ottiche con una gamma di risposta spettrale tra 200 e 1150 nm. Il sistema misura il ToF dalla trasmissione del laser alla ricezione dei segnali riflessi. La compilazione di molti segnali permette la creazione di accurate mappe di profondità multidimensionali delle aree circostanti il veicolo. Le applicazioni del LiDAR includono la prevenzione delle collisioni, il rilevamento del punto cieco, la frenata d'emergenza, il controllo di crociera adattivo, il controllo dinamico delle sospensioni e l'assistenza al parcheggio. I sistemi LiDAR superano il radar in termini di risoluzione laterale e di capacità in condizioni di maltempo.

Gli ADAS e i veicoli autonomi richiedono la presenza di molti di questi sensori intorno al veicolo per il rilevamento e l'analisi a 360° (Figura 2).

Figura 2: Telecamere, radar e LiDAR forniscono insieme un campo visivo a 360° intorno ai veicoli per garantire la sicurezza di chi è all'interno e all'esterno dell'abitacolo. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Più questi sensori e il software associato migliorano, più i conducenti, passeggeri e chiunque si trovi nelle vicinanze del veicolo saranno al sicuro.

Ottica LiDAR

I progetti LiDAR hanno fatto progressi dai sensori "a barattolo" montati sul tetto dell'auto del valore di circa USD 75.000, ad approcci più moderni che costano anche solo USD 1.000 a testa. La riduzione dei costi è principalmente attribuibile ai progressi in campo laser e dell'elettronica associata. La transizione a favore di laser a semiconduttore (non più un barattolo rotante) e il conseguente ridimensionamento dei processi a semiconduttore sono le ragioni principali della riduzione dei costi e delle dimensioni. Ora, è possibile posizionare più sensori LiDAR nella parte anteriore e posteriore del veicolo, così come sui lati, per una visibilità a 360° a basso costo.

Un tipico progetto LiDAR può essere suddiviso in tre sezioni principali: acquisizione dati (DAQ), front-end analogico (AFE) e sorgente laser (Figura 3).

Figura 3: Un esempio di sistema di valutazione LiDAR mostra che un LiDAR comprende tre sezioni principali: un DAQ, un AFE e una sorgente laser. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Il DAQ contiene un convertitore analogico/digitale (ADC) ad alta velocità e l'alimentazione e il clock corrispondenti per raccogliere i dati ToF dal laser e dall'AFE. L'AFE contiene il sensore di luce APD e il TIA per acquisire il segnale riflesso. L'intera catena di segnali condiziona il segnale di uscita dell'APD, che alimenta l'ADC nella sezione DAQ. L'AFE include anche la temporizzazione del ritardo nella sua uscita al DAQ. La porzione laser contiene i laser e i circuiti di azionamento associati e trasmette il segnale iniziale di uscita del laser.

L'AFE LiDAR

Come mostrato nella Figura 4, un esempio di catena di segnali di un ricevitore LiDAR inizia con la polarizzazione inversa ad alta tensione (da -120 a -300 V), APD a bassa capacità di ingresso seguita da un TIA, come LTC6561HUF#PBF di Analog Devices. È importante prevedere un ingresso APD più basso e capacità parassite della scheda CS a complemento del prodotto guadagno-larghezza di banda (GBWP) ad alta velocità di 220 MHz del TIA. La sezione di ingresso TIA richiede un'attenzione particolare per ottenere il livello desiderato di integrità del segnale e l'isolamento del canale in modo che sia esente da altro rumore aggiunto al segnale di corrente generato dall'APD, massimizzando così il rapporto segnale/rumore e la velocità di rilevamento degli oggetti del sistema.

Per migliorare l'integrità del segnale, il TIA ha un filtro amplificatore passa-basso, LT6016 di Analog Devices, che smorza la sovraoscillazione del segnale ad alta velocità. Il TIA converte la corrente di uscita APD (I_APD) in una tensione di uscita, V_TIA. La tensione V_TIA trasmette all'amplificatore buffer differenziale (ADA4950-1YCPZ-R7 di Analog Devices) che guida l'ingresso dell'ADC (non in figura).

Figura 4: Un AFE per questo progetto comprende l'APD, TIA LTC6561 e l'amplificatore differenziale I/O ad alta velocità ADA4950. LT6016 è un filtro amplificatore che smorza la sovraoscillazione del segnale ad alta velocità. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Per calcolare la distanza usando il ToF, l'incremento della frequenza di campionamento dell'ADC è usato per determinare la risoluzione dell'impulso luminoso ricevuto, Equazione 1:

 Equazione 1

Dove:

L_S = Velocità della luce (3 x 10⁸ m/s)

f_S = Frequenza di campionamento ADC

N = Numero di campioni ADC nell'intervallo temporale tra quando viene generato un impulso luminoso e quando viene ricevuto in riflessione

Ad esempio, se la frequenza di campionamento dell'ADC è di 1 GHz, ogni campione corrisponde a una distanza di 15 cm.

Le incertezze di campionamento devono essere prossime allo zero, poiché anche pochi campioni di incertezza si traducono in notevoli errori di misurazione. Di conseguenza, i sistemi LiDAR utilizzano TIA e ADC paralleli per portare a un'incertezza di campionamento pari a zero. Questo aumento dei canali aumenta la dissipazione di potenza e le dimensioni della scheda. Questi vincoli di progettazione critici richiedono anche ADC ad alta velocità e con uscita seriale con interfacce JESD204B per risolvere i problemi degli ADC paralleli.

Sensori LiDAR

Come menzionato, l'elemento di rilevamento chiave in un sistema LiDAR è l'APD. La polarizzazione di tensione inversa di questi fotodiodi, con guadagno interno, varia da decine a centinaia di volt. Il rapporto segnale/rumore (SNR) dell'APD è superiore a quello di un fotodiodo PIN. Si distinguono anche per la rapida risposta temporale dell'APD, la bassa corrente di buio e l'alta sensibilità. L'intervallo di risposta spettrale dell'APD è compreso tra 200 e 1150 nm per l'accordo con l'intervallo dello spettro tipico del LiDAR.

Un buon esempio di APD è MTAPD-07-010 di Marktech Optoelectronics, con una risposta spettrale compresa tra 400 e 1100 nm, e un picco di 905 nm (Figura 5). L'area attiva del dispositivo misura 0,04 mm². Dissipa 1 mW, ha una corrente diretta di 1 mA e una tensione di funzionamento di 0,95 x la sua tensione di rottura (Vbr) di 200 V (max). Il suo tempo di salita è di 0,6 ns.

Figura 5: L'APD MTPAPD-07-0101 ha una risposta di picco di 905 nm, un'area attiva di 0,04 mm² e un tempo di salita di 6 ns. (Immagine per gentile concessione di Marktech Optoelectronics)

Il tipico APD basato su semiconduttori funziona con una tensione inversa relativamente alta, nell'ordine delle decine o anche delle centinaia di volt, a volte appena sotto la tensione di rottura (per MTAPD-07-010 pari a 0,95 Vbr). In questa configurazione, i fotoni assorbiti eccitano gli elettroni e le lacune nel forte campo elettrico interno per generare portanti secondarie. Su pochi micrometri, il processo a valanga amplifica efficacemente la corrente fotoelettrica.

Come risultato delle loro caratteristiche operative, gli APD richiedono meno amplificazione del segnale elettronico e sono meno suscettibili al rumore elettronico, il che li rende utili con rilevatori estremamente sensibili. La moltiplicazione dell'APD al silicio, ovvero il fattore di guadagno, varia a seconda del dispositivo e della tensione inversa applicata. MTAPD-07-010 ha un guadagno di 100.

Soluzioni TIA

Quando è in funzione, il LiDAR emette un segnale ottico digitale, le cui riflessioni verrebbero acquisite dall'APD MTAPD-07-010. Ciò richiede un TIA con tempo di recupero veloce da sovraccarico di saturazione e multiplazione veloce dell'uscita. Il TIA LTC6561 a basso rumore e a quattro canali con una larghezza di banda di 220 MHz soddisfa questi requisiti (Figura 6).

Figura 6: Il TIA quad LTC6561 con amplificatori indipendenti e un singolo stadio di uscita multiplato è stato progettato per LiDAR utilizzando un APD. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Nella Figura 6, i segnali laser riflessi (v. Figura 3) sono acquisiti dall'array APD e dai quattro TIA a basso rumore da 200 MHz. I TIA trasmettono rapidamente i segnali acquisiti al rilevatore ToF (in alto a destra). I condensatori da 1 nF sull'ingresso dei quattro TIA filtrano ed eliminano efficacemente la corrente di buio e le condizioni di luce ambiente dell'APD, preservando la gamma dinamica dei TIA. Tuttavia, il valore dei condensatori influisce sui tempi di commutazione, quindi i progettisti devono tenerne conto.

Sotto un'intensa illuminazione ottica, gli APD possono condurre grandi correnti, spesso più di 1 A. LTC6561 sopravvive e si riprende rapidamente da grandi correnti di sovraccarico di questo livello. Il veloce recupero da sovraccarico è fondamentale per le applicazioni LiDAR. Il veloce recupero da sovraccarico di 1 mA richiede un tempo di assestamento di 10 (Figura 7).

Figura 7: LTC6561 sopravvive e recupera in 10 ns da grandi correnti di sovraccarico di 1 mA. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Nella Figura 7, via via che il livello della corrente di ingresso supera l'intervallo lineare, la larghezza dell'impulso di uscita aumenta. Tuttavia, il tempo di recupero rimane nell'ordine di 10 ns. LTC6561 recupera da eventi di saturazione di 1 mA in meno di 12 ns senza inversione di fase, minimizzando così la perdita di dati.

Conclusione

Il percorso verso il successo dei veicoli autonomi inizia con l'integrazione e la fusione di telecamere, IMU, radar e LiDAR. La tecnologia LiDAR, in particolare, è promettente se si sa come affrontare e risolvere adeguatamente i problemi associati al rilevamento preciso degli oggetti utilizzando questa tecnologia ottica.