Saper come funziona LiDAR dimostra l'importanza di un'attenta selezione di TIA e comparatore

Rilevamento e telemetria mediante luce (LiDAR) è sempre più associato al settore della progettazione automotive, dove i più sognano che possa aiutare a creare un futuro 'a mani libere'. In particolare, i segnali ottici a controllo digitale sono emessi da uno scanner 3D che rileva i segnali riflessi per analizzare l'ambiente e assistere nello sviluppo di sistemi di assistenza alla guida (ADAS) sempre più avanzati. I progettisti hanno avuto l'idea giusta, anche se le implementazioni ora variano ampiamente dall'approccio classico (Figura 1).

Figura 1: I sensori LiDAR automotive sono componenti critici per ADAS, sebbene si siano evoluti notevolmente dall'approccio originale. (Immagine per gentile concessione di Research Gate)

I primi sviluppatori pensavano che ci si dovesse basare su un'immagine a 360 gradi, ma questa soluzione era un po' costosa, impedendole di essere completamente fattibile a livello commerciale. Ora pare che le applicazioni automotive richiedano solo la capacità di mappare in direzione di marcia, in retromarcia soltanto su richiesta e occasionalmente anche a destra e a sinistra. Questo ha aperto la porta a progetti più economici.

Ma sto divagando. Concentrarsi solo sui sistemi automotive non fa giustizia al potenziale di LiDAR, quindi diamo uno sguardo di più ampia veduta a LiDAR, partendo dai suoi principi di funzionamento.

Gli amplificatori in transimpedenza dominano LiDAR

La chiave per LiDAR è misurare il tempo di volo (ToF) di un segnale ottico da quando il segnale viene emesso a quando ritorna riflesso da un oggetto. La tecnologia funziona molto bene con una serie di segnali digitali inviati da un driver laser a un diodo laser. Il sistema LiDAR ricerca i fronti del segnale invece della frequenza del segnale (Figura 2). Questo metodo di rilevamento si basa su un buon amplificatore in transimpedenza (TIA).

Figura 2: Il diodo laser emette un impulso di luce digitale e un TIA cattura l'impulso di ritorno. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices Inc./Maxim Integrated)

Nella Figura 2, il circuito ricevente del segnale LiDAR comprende un TIA ad ampia larghezza di banda MAX40660 di Analog Devices/Maxim Integrated un comparatore (COMP) ad alta velocità di 28 ps a bassissima dispersione MAX40025 sempre della stessa azienda.

MAX40660 è il collegamento ricevente della catena di misurazione della distanza ottica. È stato progettato per LiDAR automotive, quindi, insieme a basso rumore, alto guadagno e basso ritardo di gruppo, è caratterizzato da un rapido recupero dell'uscita dal sovraccarico, una pinza amperometrica in ingresso e una densità di rumore riferita all'ingresso di 2,1 pA. Ha una transimpedenza di 25 kΩ e 50 kΩ selezionabile tramite pin e un'ampia larghezza di banda di 490 MHz (tipica) con una capacità di ingresso di 0,5 pF.

Il front-end di questo sistema di rilevamento ottico è essenzialmente un fotorilevatore basato su scelte progettuali attente e sull'implementazione delle best practice per acquisire efficacemente il segnale ottico. Ciò si traduce in un TIA con specifiche di larghezza di banda e rumore uniche per il rilevamento di oggetti fissi o in movimento. L'ampia larghezza di banda del TIA MAX40660 registra diversi dettagli delle condizioni fisiche e il suo basso rumore riduce il livello di distorsione.

Il COMP ad alta velocità MAX40025 funziona come un convertitore analogico/digitale (ADC) a un bit. La dispersione di sovrapilotaggio è estremamente bassa a 25 ps e questo rende il comparatore ideale per applicazioni di misurazione della distanza ToF. Con MAX40025, il segnale ottico TIA viene convertito in "1" o "0" pulito con il tipico ritardo di propagazione di 280 ps del comparatore.

A seconda della distanza percorsa, la luce che colpisce D₁ può essere brillante o fioca. Inoltre, potrebbero esserci contaminanti nell'atmosfera e, per confondere ulteriormente il sistema, potrebbero esserci luci fantasma a interferire.

Per compensare questi effetti, l'uso efficace dei sistemi LiDAR nel mondo reale abbraccia più discipline. Le applicazioni automotive richiedono la fusione di sistemi di sensori LiDAR, radar e telecamere. La mappatura con droni e GPS fornisce a ricercatori e ingegneri dettagli di immagini 3D che gettano le basi per progetti di edilizia. La mappatura LiDAR batimetrica o sottomarina definisce la posizione delle strutture sottomarine. Queste applicazioni, ma anche molte altre, hanno requisiti di costruzione LiDAR propri.

LiDAR e lo spettro delle onde elettromagnetiche

All'estremità anteriore del sistema ottico in Figura 2, il fotodiodo D₂ rileva la luce di partenza per la temporizzazione del segnale, mentre D₁ percepisce la luce di ritorno. Questo segnale ottico elettromagnetico può estendersi dall'ultravioletto all'infrarosso (Figura 3).

Figura 3: Lo spettro delle onde elettromagnetiche è la gamma della radiazione elettromagnetica, di cui solo una piccola frazione rientra nella gamma visibile. (Immagine per gentile concessione di Cosmos)

La maggior parte dei sistemi LiDAR si serve di sistemi laser a infrarossi che utilizzano silicio InGaAs a valanga per D₁ e D₂, che hanno una lunghezza d'onda ottica da 1310 a 1550 nm. Tuttavia, esistono sistemi LiDAR che utilizzano segnali ottici visibili.

Conclusione

Tra le sue numerose applicazioni, LiDAR è un elemento critico lungo il percorso verso ADAS sempre più intuitivi e, in ultima analisi, la piena capacità di guida 'a mani libere'. Con il miglioramento di queste tecnologie, i requisiti relativi ai componenti di supporto per LiDAR continuano a farsi più severi. Come discusso in questo articolo, i circuiti riceventi di segnale LiDAR basati sul TIA ad alta larghezza di banda MAX40660 e sul comparatore ad alta velocità da 280 ps MAX40025 possono fare da base per un solido front-end LiDAR automotive.