激光雷达模块支持提高高速公路速度

LiDAR module supports increased highway speed

What’s LIDAR?

自动驾驶技术的出现，无疑地扩大了激光成像探测和测距（LiDAR）传感器在汽车电子平台中的应用。激光雷达根据雷达原理工作，但使用红外激光二极管发射的光脉冲。
Maxim Integrated新推出的MAX40026高速比较器和MAX40660/MAX40661高带宽跨阻放大器（TIA），通过将带宽翻倍并在相同尺寸的激光雷达模块中增加32个通道（总共128个而不是96个）使高速公路上的自主驾驶速度提高15公里/小时。

与人工智能、摄像头和雷达一样，传感器对于辅助驾驶和自主驾驶是不可或缺的。由于激光雷达传感器能够精确测量物体并探测道路上的障碍物——倒下的树枝、其他汽车，甚至是冲进交通中的儿童——激光雷达传感器有助于推进先进驾驶员辅助系统（ADAS）的采用，对自主车辆（AV）的开发至关重要。AV对周围环境的感知必须非常精确，这就是为什么实验性的Robocar充满了传感器。激光照明系统的使用使自动驾驶汽车能够在低能见度或无能见度条件下，甚至在没有道路标线的情况下运行。

Maxim Integrated技术人员的主要成员Maurizio Gavardoni说：“激光雷达传感器在车辆传感器的融合中发挥着越来越重要的作用，因为它们能够提供精确的物体距离测量。“典型的激光雷达传感器发送光脉冲，这些脉冲被物体反射并由光电二极管充分探测，使你能够绘制周围环境的地图。”

激光雷达系统基于飞行时间（ToF），它测量精确的定时事件（图1）。最新的发展已经出现了几个多光束激光雷达系统，这些系统可以生成车辆周围环境的精确三维图像。此信息用于选择最合适的驾驶操作。

Figure 1: Time-of-flight functional diagram

图2显示了激光雷达传感器的基本布局。激光雷达系统有两种基本类型：微脉冲激光雷达和高能激光雷达。由于可用计算能力的不断提高和激光技术的进步，微脉冲系统得到了发展。这些新系统使用非常低的功率，大约1瓦，对大多数应用来说完全安全。另一方面，高能激光雷达在大气监测系统中很常见，传感器用于探测大气参数，如高度、层结和云密度。

Figure 2: General layout of a LiDAR sensor with the main electronic parts shown

加瓦多尼说：“汽车自动驾驶系统正从35英里/小时发展到65英里/小时以上，但更快的自动驾驶系统至关重要。”。“满足这些要求所面临的挑战[转化为]对物体进行高精度的距离测量，[需要]更高的精度，更多的通道来适应空间受限的平台，[并遵守]严格的安全要求。”

激光雷达硬件

在激光雷达项目中，跨阻放大器是电子布局中最关键的部分。低噪声、高增益、低时延和快速过载恢复，使其成为距离测量应用的理想选择。

TIA电路通常用于需要缓冲和缩放电光解决方案输出以实现高速和高动态范围的应用。TIA是一种电流-电压转换器，几乎完全由一个或多个运算放大器实现（图3）。

Figure 3: General layout of a TIA with a reverse polarization photodiode

光电晶体管和光电二极管密切相关，它们将入射的激光转换成电流。为了从这些器件中获得最大的性能，设计者必须特别注意接口电路、波长和光学机械对准。MAX40660/MAX40661跨阻放大器能够使用高分辨率实现更快的自动驱动系统。在低功耗模式下，TIAs可将电流消耗降低80%以上。Maxim的TIA支持128个信道，在MAX40660和2.1-pA/√Hz噪声密度的情况下，带宽为490 MHz，以提供更高的测量精度（图4）。

Figure 4: MAX40660 block diagram

同时，MAX40026是一款单电源高速比较器，用于TOF距离测量应用。它的低，10皮秒的传播延迟色散有助于准确检测固定和移动目标。“较低的色散延迟和每个系统更多的信道可以实现更精确的定时测量，从而提高系统分辨率并实现更高的驱动速度，”Gavardoni说。
MAX40026的输入共模范围为1.5V至VDD+0.1V，与几种广泛使用的高速TIA的输出分支摆动兼容。低压差分信号（LVDS）输出级将功耗降至最低，并直接与许多FPGA和CPU接口（图5）。

Figure 5: MAX40026 functional diagram

新解决方案的规模进一步缩小，允许在有限空间的车辆平台上插入更多的频道。这些集成电路符合汽车行业最严格的安全要求，具有AEC-Q100认证、改进的静电放电（ESD）性能、效应和诊断分析（FMEDA），以便在系统级支持ISO 26262认证。

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