Maxims fortschrittliches LiDAR-Modul ermöglicht 15 km/h schnelleres autonomes Fahren auf Autobahnen

Das Aufkommen des autonomen Fahrens hat die Präsenz von Laser-Imaging-Detection-and-Ranging (LiDAR)-Sensoren in der Automobil-Elektronikplattform entscheidend erweitert. LiDAR funktioniert nach dem Radarprinzip, nutzt aber Lichtpulse, die von einer Infrarot-Laserdiode ausgesendet werden.

Maxim Integrateds neuer MAX40026 High-Speed-Komparator und MAX40660/MAX40661 High-Bandwidth-Transimpedanzverstärker (TIAs) ermöglichen 15 km/h schnelleres autonomes Fahren bei Autobahngeschwindigkeit, indem sie die Bandbreite verdoppeln und 32 Kanäle hinzufügen (insgesamt 128 statt 96) in einem LiDAR-Modul gleicher Größe.

Was ist LiDAR?

Maxims Maurizio Gavardoni demonstriert das Evaluierungsboard für ein Vierkanal-LiDAR-Empfangssystem.
Es enthält optische Photodioden von First Sensor und Maxims neu eingeführte TIA und High-Speed-Komparator. (Bild: Maxim Integrated)

Neben künstlicher Intelligenz, Kameras und Radar sind Sensoren unverzichtbar für assistiertes und autonomes Fahren. Da sie präzise Messungen von Objekten liefern und Hindernisse auf der Straße erkennen können – herabgefallene Baumäste, andere Autos oder sogar ein Kind, das auf die Fahrbahn läuft – haben LiDAR-Sensoren die Einführung fortschrittlicher Fahrerassistenzsysteme (ADAS) vorangetrieben und sind kritisch für die Entwicklung autonomer Fahrzeuge (AV). Die Umgebungserfassung eines AVs muss extrem präzise sein, weshalb experimentelle Robocars voller Sensoren sind. Der Einsatz eines Lasersystems ermöglicht den Betrieb selbstfahrender Autos bei schlechter oder keiner Sicht und sogar ohne Fahrbahnmarkierungen.

„LiDAR-Sensoren spielen eine zunehmende Rolle in der Fusion von Fahrzeugsensoren durch ihre Fähigkeit, präzise Entfernungsmessungen von Objekten zu liefern“, sagte Maurizio Gavardoni, Principal Member of Technical Staff bei Maxim Integrated. „Ein typischer LiDAR-Sensor sendet Lichtpulse, die von Objekten reflektiert und adäquat von Photodioden detektiert werden, sodass Sie die Umgebung kartieren können.“

LiDAR-Systeme basieren auf Time-of-Flight (ToF), das präzise Zeitereignisse misst (Abbildung 1). Neuere Entwicklungen haben mehrere Multibeam-LiDAR-Systeme hervorgebracht, die ein präzises 3D-Bild der Fahrzeugumgebung erzeugen. Diese Information wird genutzt, um die geeignetsten Fahrmanöver zu wählen.

Abbildung 1: Time-of-Flight-Funktionsdiagramm (Bild: Maxim Integrated)

Abbildung 2 zeigt den grundlegenden Aufbau eines LiDAR-Sensors. Es gibt zwei grundlegende LiDAR-Typen: Mikropuls-LiDAR und Hochenergie-LiDAR. Mikropulssysteme entstanden durch stetig wachsende Rechenleistung und Fortschritte in der Lasertechnologie. Diese neuen Systeme nutzen sehr niedrige Leistung, in der Größenordnung von 1 W, und sind für die meisten Anwendungen völlig sicher. Hochenergie-LiDAR hingegen ist in atmosphärischen Überwachungssystemen üblich, wo Sensoren atmosphärische Parameter wie Höhe, Schichtung und Wolkendichte detektieren.

Abbildung 2: Allgemeiner Aufbau eines LiDAR-Sensors mit den wichtigsten elektronischen Teilen (Bild: Maxim Integrated)

„Automobile Selbstfahrsysteme entwickeln sich von 35 mph auf 65 mph und darüber, aber schnellere autonome Systeme sind essenziell“, sagte Gavardoni. „Die Herausforderungen, diese Anforderungen zu erfüllen, [übersetzen sich] in hochpräzise Entfernungsmessungen von Objekten, [erfordern] mehr Genauigkeit, mehr Kanäle auf platzbeschränkten Plattformen [und Einhaltung] strenger Sicherheitsanforderungen.“

LiDAR-Hardware

In einem LiDAR-Projekt ist der Transimpedanzverstärker der kritischste Teil des elektronischen Layouts. Niedriges Rauschen, hohe Verstärkung, niedrige Gruppensignalverzögerung und schnelle Erholung von Überlastung machen die neuen Maxim TIAs ideal für Entfernungsmessanwendungen.

TIA-Schaltungen werden oft in Anwendungen eingesetzt, die den Bedarf an Schaltungen zum Puffern und Skalieren des Outputs elektro-optischer Lösungen teilen, um hohe Geschwindigkeit und hohen Dynamikbereich zu erreichen. TIA ist ein Strom-Spannungs-Wandler, fast ausschließlich mit einem oder mehreren Operationsverstärkern implementiert (Abbildung 3).

Abbildung 3: Allgemeines Layout eines TIA mit umgekehrt polarisierter Photodiode (Bild: Wikipedia)

Phototransistoren und Photodioden sind eng verwandt und wandeln einfallendes Laserlicht in elektrischen Strom um. Um maximale Leistung aus diesen Bauelementen zu holen, müssen Designer besonderes Augenmerk auf Interface-Schaltungen, Wellenlängen und optomechanische Ausrichtung legen. Die MAX40660/MAX40661 Transimpedanzverstärker ermöglichen deutlich schnellere Selbstfahrsysteme mit hoher Auflösung. Die TIAs reduzieren den Stromverbrauch im Low-Power-Modus um mehr als 80 %. Maxims TIAs unterstützen 128 Kanäle mit 490 MHz Bandbreite beim MAX40660 und 2,1 pA/√Hz Rauschen für höhere Messgenauigkeit (Abbildung 4).

Abbildung 4: MAX40660 Blockdiagramm (Bild: Maxim Integrated)

Der MAX40026 ist ein Single-Supply-High-Speed-Komparator für ToF-Entfernungsmessanwendungen. Seine niedrige, 10-Pikosekunden-Ausbreitungsverzögerungsdispersion trägt zur präzisen Detektion fester und bewegter Objekte bei. „Niedrigere Dispersionsverzögerung und mehr Kanäle pro System ermöglichen präzisere Zeitmessungen, wodurch Systemauflösung erhöht und höhere Fahrgeschwindigkeiten ermöglicht werden“, sagte Gavardoni.

Der MAX40026 hat einen Eingangs-Common-Mode-Bereich von 1,5 V bis VDD + 0,1 V, kompatibel mit den Ausgangsschwankungen mehrerer weit verbreiteter High-Speed-TIAs. Die Low-Voltage-Differential-Signaling (LVDS)-Ausgangsstufe minimiert Leistungsdissipation und interfaced direkt mit vielen FPGAs und CPUs (Abbildung 5).

Abbildung 5: MAX40026 Funktionsdiagramm (Bild: Maxim Integrated)

Die Größe der neuen Lösungen ist weiter reduziert, was viele mehr Kanäle in fahrzeugplattformen mit begrenztem Platz ermöglicht. Diese integrierten Schaltungen erfüllen die strengsten Sicherheitsanforderungen der Automobilindustrie, mit AEC-Q100-Qualifikation, verbesserter ESD-Leistung und FMEDA, um ISO 26262-Zertifizierung auf Systemebene zu unterstützen.

>> Dieser Artikel wurde ursprünglich auf unserer Schwesterseite EE Times Europe veröffentlicht.