Garantizar la precisión del sensor de distancia para automóviles LiDAR con el TIA adecuado
Colaboración de Editores de DigiKey de América del Norte
2021-01-27
Para que los vehículos autónomos tengan éxito, los pasajeros deben confiar en que los sensores y el software del automóvil les guíen con seguridad y precisión hasta su destino. La clave para conseguir la confianza radica en la fusión de las entradas de varios tipos de sensores para mejorar la precisión, la redundancia y la seguridad, una técnica que ha estado permitiendo los sistemas avanzados de asistencia al conductor (ADAS). Uno de los principales sensores es el de detección y alcance de luz (LiDAR), y los diseñadores tienen que asegurarse de que el sistema LiDAR tenga la máxima fiabilidad, resolución, precisión y tiempo de respuesta para los coches autoconducidos.
El rendimiento del LiDAR depende en gran medida del amplificador de transimpedancia (TIA) del extremo delantero, que recupera rápidamente una señal de fotodiodo de avalancha (APD) para proporcionar retroalimentación digital. Comparando la marca de tiempo de la señal de retroalimentación con la marca de tiempo de la señal transmitida, se puede calcular el tiempo de vuelo (ToF) para el alcance.
En este artículo se analizan brevemente las cuestiones relacionadas con el desarrollo del rendimiento de los circuitos de retroalimentación para la detección precisa de objetos mediante LiDAR. A continuación, presentará una TIA de Analog Devices. Se mostrará cómo aprovechar su alta velocidad, ancho de banda y baja impedancia de entrada para una rápida recuperación de la luz reflejada que puede producir un tiempo de subida del fotodiodo de nanosegundos (ns). Para conseguir el mejor rendimiento global, también se mostrará cómo rechazar la corriente oscura del APD y la luz ambiental a través del acoplamiento de CA para permitir estimaciones precisas del ToF.
Elementos clave de ADAS
En el corazón de los ADAS se encuentran sofisticados sistemas de detección para analizar los objetos externos. La identificación y localización de estos objetos permite al vehículo avisar al conductor o tomar las medidas adecuadas -o ambas- para evitar incidentes. Las tecnologías de sensores detrás de los ADAS pueden incluir una cámara de imagen, unidades de medición inercial (IMU), radar y, por supuesto, LiDAR. De ellos, el LiDAR es una tecnología óptica fundamental que realiza la detección y el alcance de la distancia lateral y del mal tiempo de los vehículos autónomos. Forma parte integral de un sistema ADAS (Figura 1).
Figura 1: Los sistemas de visión (cámaras y software relacionado), radar y LiDAR se complementan entre sí para informar a un ADAS y que éste pueda tomar las medidas adecuadas. (Fuente de la imagen: Analog Devices).
Un sistema ADAS utiliza cámaras para detectar y reconocer objetos externos como vehículos, peatones, obstáculos, señales de tráfico y líneas de carril de forma rápida y precisa. El análisis desencadena la respuesta adecuada para maximizar la seguridad. Las respuestas incluyen la advertencia de salida de carril, el frenado automático de emergencia, las alertas de punto ciego y el control de alerta y vigilia del conductor, entre otras. Los puntos fuertes de la cámara son la clasificación de objetos y la resolución lateral.
El sistema IMU autónomo mide el movimiento angular y lineal, normalmente con una tríada de giroscopios, magnetómetros y acelerómetros. Una IMU está dotada de una bola de gimbal para dar salida de forma fiable a las magnitudes de velocidad angular y aceleración integradas. Un cardán es un soporte pivotante que permite la rotación de un objeto alrededor de un solo eje. Un conjunto de tres cardanes, uno montado sobre el otro con ejes de pivote ortogonales, permite que un objeto montado en el cardán más interno permanezca independiente de la rotación de su soporte. La IMU mejora la precisión del GNSS de metros (m) a centímetros (cm) para un posicionamiento preciso del carril.
Las adaptaciones de la tecnología de radar para automóviles miden muchas variables diferentes, como la distancia y la velocidad, al tiempo que proporcionan "visibilidad" en la oscuridad. Normalmente, se utilizan tasas de señal de 24 y 77 gigahercios (GHz) para obtener una alta resolución. El sensor de radar capta las señales reflejadas por diferentes objetos dentro de su campo de visión. A continuación, el vehículo analiza el resultado del sensor en el contexto de todas las demás entradas de los sensores para determinar si es necesario realizar ajustes en la dirección y los frenos para, por ejemplo, evitar colisiones.
Para completar el cuadro de ADAS, el LiDAR utiliza ópticas con un rango de respuesta espectral de entre 200 y 1150 nanómetros (nm). El sistema mide el ToF desde la transmisión del láser hasta la recepción de las señales reflejadas. La compilación de muchas señales permite crear mapas de profundidad multidimensionales y precisos del entorno del vehículo. Entre las aplicaciones del LiDAR se encuentran la evitación de colisiones, la detección de ángulos muertos, el frenado de emergencia, el control de crucero adaptativo, el control dinámico de la suspensión y el asistente de aparcamiento. Los sistemas LiDAR superan al radar en términos de resolución lateral y capacidad en condiciones meteorológicas adversas.
Los ADAS y los vehículos autónomos requieren múltiples de estos sensores colocados alrededor del vehículo para la detección y el análisis de 360˚ (Figura 2).
Figura 2: Las cámaras, el radar y el LiDAR proporcionan conjuntamente un campo de visión de 360° alrededor de los vehículos para garantizar la seguridad de quienes están dentro y fuera. (Fuente de la imagen: Analog Devices).
A medida que estos sensores y su software asociado mejoren, los conductores, los pasajeros y cualquier persona cercana al vehículo serán más seguros.
Óptica LiDAR
Los diseños de LiDAR han progresado desde los sensores de "lata de café" que giraban en el techo del coche y estaban valorados en unos 75.000 dólares, hasta enfoques más modernos que cuestan alrededor de 1.000 dólares cada uno. La reducción de costes se debe principalmente a los avances en los láseres y la electrónica asociada. La evolución hacia los láseres con semiconductores (frente a la lata de café giratoria) y el escalado asociado en los procesos de los semiconductores son las principales razones por las que se ha reducido el coste y el tamaño. Ahora se pueden colocar varios sensores LiDAR en la parte delantera y trasera del vehículo, así como en los laterales, para obtener una visibilidad de 360˚ de bajo coste.
Un diseño LiDAR típico puede dividirse en tres secciones principales: adquisición de datos (DAQ), front-end analógico (AFE) y fuente láser (Figura 3).
Figura 3: Un desglose de un sistema de evaluación LiDAR muestra que un LiDAR comprende tres secciones principales: un DAQ, un AFE y una fuente láser. (Fuente de la imagen: Analog Devices)
El DAQ contiene un convertidor analógico-digital (ADC) de alta velocidad y la correspondiente alimentación y sincronización para recoger los datos ToF del láser y del AFE. El AFE contiene el sensor de luz APD y el TIA para captar la señal reflejada. Toda la cadena de señales condiciona la señal de salida del APD, que alimenta el ADC en la sección DAQ. El AFE también incluye la temporización de retardo en su salida al DAQ. La parte del láser contiene los láseres y los circuitos de accionamiento asociados y transmite la señal de salida del láser inicial.
El LiDAR AFE
Como se muestra en la Figura 4, un ejemplo de cadena de señales de receptor LiDAR comienza con un APD de alta tensión de polarización inversa (-120 a -300 voltios), de baja capacitancia de entrada, seguido de un TIA, como el LTC6561HUF#PBF de Analog Devices. Es importante diseñar para que las capacitancias parásitas de la entrada del APD y de la placa de circuito impreso sean más bajas para complementar el producto de ancho de banda de ganancia (GBWP) de 220 MHz de alta velocidad de la TIA. La sección de entrada de la TIA requiere una atención adicional para lograr el nivel deseado de integridad de la señal y el aislamiento del canal, de modo que no se añada ruido adicional a la señal actual generada por el APD, maximizando así la SNR y la tasa de detección de objetos del sistema.
Para mejorar la integridad de la señal, el TIA cuenta con un filtro amplificador de paso bajo, el LT6016 de Analog Devices, que amortigua el timbre de la señal de alta velocidad. La TIA convierte la corriente de salida del APD (IAPD) en una tensión de salida, VTIA. El voltaje VTIA se transmite al amplificador buffer diferencial (ADA4950-1YCPZ-R7 de Analog Devices) que conduce la entrada del ADC (no mostrado).
Figura 4: Un AFE para este diseño comprende el APD, el TIA LTC6561 y el amplificador diferencial de entrada/salida de alta velocidad ADA4950. El LT6016 es un filtro de amplificación que amortigua el timbre de la señal de alta velocidad. (Fuente de la imagen: Analog Devices)
Para calcular la distancia utilizando el ToF, el incremento de la tasa de muestreo del ADC se utiliza para determinar la resolución del pulso de luz recibido, Ecuación 1:
Ecuación 1
Donde:
LS = Velocidad de la luz (3 x108 m/segundo (m/s))
fS = Velocidad de muestreo del ADC
N = Número de muestras del ADC en el intervalo de tiempo entre la generación de un impulso luminoso y la recepción de su reflejo
Por ejemplo, si la frecuencia de muestreo del ADC es de 1 GHz, cada muestra corresponde a una distancia de 15 cm.
Debe haber incertidumbres de muestreo cercanas a cero, ya que incluso unas pocas muestras de incertidumbre dan lugar a errores de medición considerables. En consecuencia, los sistemas LiDAR utilizan TIA y ADC paralelos para conducir hacia una incertidumbre de muestreo cero. Este aumento de canales incrementa la disipación de energía y el tamaño de la placa. Estas limitaciones críticas de diseño también requieren ADC de alta velocidad y salida en serie con interfaces JESD204B para resolver los problemas de los ADC en paralelo.
Sensores LiDAR
Como se ha mencionado, el elemento de detección clave en un sistema LiDAR es el APD. El sesgo de tensión inversa de estos fotodiodos, con ganancia interna, oscila entre decenas de voltios y cientos de voltios. La relación señal/ruido (SNR) del APD es mayor que la de un fotodiodo PIN. Además, la rápida respuesta temporal, la baja corriente oscura y la alta sensibilidad de los APD los distinguen. El rango de respuesta espectral del APD está entre los 200 y los 1150 nm para coincidir con el rango espectral típico del LiDAR.
Un buen ejemplo de APD es el MTAPD-07-010 de Marktech Optoelectronics, con una respuesta espectral que va de 400 a 1100 nm, con un pico en 905 nm (Figura 5). El área activa del dispositivo mide 0,04 milímetros cuadrados (mm2). Disipa 1 milivatio (mW), tiene una corriente de avance de 1 miliamperio (mA) y una tensión de funcionamiento de 0.95 x su tensión de ruptura (Vbr) de 200 voltios (máx.). Su tiempo de subida es de 0.6 ns.
Figura 5: El APD MTPAPD-07-0101 tiene un pico de respuesta a 905 nm, un área activa de 0.04 mm2 y un tiempo de subida de 6 ns. (Fuente de la imagen: Marktech Optoelectronics)
El típico APD basado en semiconductores funciona con una tensión inversa relativamente alta, de decenas o incluso cientos de voltios, a veces justo por debajo de la ruptura (según el MTAPD-07-010 a 0.95 Vbr). En esta configuración, los fotones absorbidos excitan los electrones y los huecos en el fuerte campo eléctrico interno para generar portadores secundarios. A través de unos pocos micrómetros, el proceso de avalancha amplifica eficazmente la fotocorriente.
Como resultado de sus características de funcionamiento, los APD requieren menos amplificación de la señal electrónica y son menos susceptibles al ruido electrónico, lo que los hace útiles con detectores extremadamente sensibles. El factor de multiplicación, o de ganancia, de los APD de silicio varía en función del dispositivo y de la tensión inversa aplicada. El MTAPD-07-010 tiene una ganancia de 100.
Soluciones TIA
En funcionamiento, el LiDAR emite una señal óptica digital en ráfaga, cuyas reflexiones serían captadas por el APD MTAPD-07-010. Esto requiere un TIA con un tiempo de recuperación de sobrecarga de saturación rápido, y una multiplexación de salida rápida. La TIA de bajo ruido y cuatro canales LTC6561, con un ancho de banda de 220 megahercios (MHz), cumple estos requisitos (Figura 6).
Figura 6: El TIA cuádruple LTC6561 con amplificadores independientes y una sola etapa de salida multiplexada fue diseñado para LiDAR utilizando APD. (Fuente de la imagen: Analog Devices)
En la Figura 6, las señales láser reflejadas (según la Figura 3) son captadas por el conjunto de APD y los cuatro TIA de bajo ruido y 200 MHz. Los TIA transmiten rápidamente las señales captadas al detector ToF (arriba a la derecha). Los condensadores de 1 nanofaradio (nF) en la entrada de los cuatro TIA filtran y eliminan eficazmente la corriente oscura del APD y las condiciones de luz ambiental, preservando el rango dinámico de los TIA. Sin embargo, el valor de los condensadores afecta a los tiempos de conmutación, por lo que los diseñadores deben tenerlo en cuenta en su diseño.
Bajo una intensa iluminación óptica, los APD pueden conducir grandes corrientes, a menudo más de 1 amperio (A). El LTC6561 sobrevive y se recupera rápidamente de grandes corrientes de sobrecarga de esta magnitud. La rápida recuperación de la sobrecarga es fundamental para las aplicaciones LiDAR. La recuperación rápida de la sobrecarga de 1 mA tarda 10 ns en asentarse (Figura 7).
Figura 7: El LTC6561 sobrevive y se recupera rápidamente en 10 ns de grandes corrientes de sobrecarga de 1 mA. (Fuente de la imagen: Analog Devices).
En la figura 7, a medida que el nivel de la corriente de entrada supera el rango lineal, la anchura del pulso de salida se amplía. Sin embargo, el tiempo de recuperación sigue siendo de 10 ns. El LTC6561 se recupera de eventos de saturación de 1 mA en menos de 12 ns sin inversión de fase, minimizando así la pérdida de datos.
Conclusión:
El camino hacia el éxito de los vehículos autónomos comienza con la integración y la fusión de cámaras, IMUs, radares y LiDAR. El LiDAR, en particular, es prometedor cuando se comprenden y abordan adecuadamente los problemas asociados a la detección precisa de objetos mediante esta tecnología óptica.
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