Una comprensión de cómo funciona LiDAR muestra la importancia de una selección cuidadosa de TIA y comparador.

La detección y el alcance de la luz (LiDAR) se ha asociado más ampliamente con el campo del diseño automotriz, donde los soñadores creen que puede ayudar a lograr un futuro de manos libres. Específicamente, las señales ópticas controladas digitalmente se emiten desde un instrumento de escaneo 3D que detecta las señales reflejadas para analizar el entorno y ayudar a desarrollar sistemas de asistencia al conductor (ADAS) cada vez más avanzados. Estos soñadores tenían la idea correcta, aunque las implementaciones ahora varían mucho del enfoque clásico de "lata de café" (Figura 1).

Figura 1: Los sensores automotrices LiDAR son componentes críticos para ADAS, aunque han evolucionado en gran medida desde el enfoque original de la lata de café. (Fuente de la imagen: Researchgate)

Los primeros desarrolladores pensaron que una imagen de 360 grados era el camino a seguir, pero esta solución era un poco costosa, lo que impedía que fuera completamente comercial. Ahora parece que las aplicaciones automotrices solo requieren la capacidad de mapear hacia adelante, hacia atrás según demanda y ocasionalmente hacia la derecha y hacia la izquierda, lo que da lugar a diseños más económicos.

Pero yo divago. Centrarse solo en los sistemas automotrices no hace justicia al potencial de LiDAR, así que tomemos una perspectiva general de LiDAR, que comienza con una comprensión de cómo funciona.

Los amplificadores de transimpedancia dominan el núcleo LiDAR.

La clave de LiDAR es medir el tiempo de vuelo (ToF) de una señal óptica desde que se emite hasta que regresa como reflejo de un objeto. La tecnología funciona muy bien con una serie de señales digitales que se envían desde un controlador láser a un diodo láser. El sistema LiDAR busca bordes de señal en lugar de frecuencia de señal (Figura 2). Este método de detección se basa en un buen amplificador de transimpedancia (TIA).

Figura 2: El diodo láser emite un pulso de luz digital y un TIA captura el pulso de retorno. (Fuente de la imagen: Analog Devices Inc./Maxim Integrated)

En la Figura 2, el circuito del receptor de señal LiDAR consiste en un TIA de gran ancho de banda de Analog Devices/Maxim Integrated MAX40660 y un comparador de alta velocidad (COMP) de 280 picosegundos (ps) de Analog Devices Inc./Maxim Integrated MAX40025 con dispersión ultrabaja.

El MAX40660 forma el enlace receptor de la cadena de medición de distancia óptica. Ha sido diseñado para LiDAR automotriz, por lo que junto con el bajo nivel de ruido, la alta ganancia y el bajo retardo de grupo, cuenta con una rápida recuperación de salida de la sobrecarga, una abrazadera de corriente de entrada y una densidad de ruido referida a la entrada de 2.1 picoamperios (pA). Tiene una transimpedancia de 25 kilohmios (kΩ) y 50 kΩ seleccionable por clavija, y un amplio ancho de banda de 490 megahercios (MHz) (típico) con una capacitancia de entrada de 0.5 picofaradios (pF).

La parte delantera de este sistema de detección óptica es esencialmente un fotodetector que se basa en elecciones de diseño cuidadosas y en la implementación de las mejores prácticas para capturar la señal óptica de manera efectiva. Esto se traduce en un TIA con especificaciones únicas de ancho de banda y ruido para permitir la detección de objetos fijos o en movimiento. El amplio ancho de banda del MAX40660 TIA captura diferentes detalles de la condición física y su bajo nivel de ruido reduce el nivel de distorsión.

El COMP de alta velocidad MAX40025 funciona como un convertidor de analógico a digital (ADC) de un bit. La dispersión de sobremarcha es extremadamente baja a 25 picosegundos (ps), lo que hace que este comparador sea ideal para aplicaciones de medición de distancia ToF. Con el MAX40025, la señal óptica TIA se convierte en un "1" o "0" limpio con el retraso de propagación típico de 280 ps del comparador.

Según la distancia recorrida, la luz que incide sobre D₁ puede ser brillante o tenue. Además, puede haber contaminantes en la atmósfera y, para confundir aún más el sistema, puede haber luces fantasma que interfieren.

Para compensar estos efectos, el uso efectivo de los sistemas LiDAR en el mundo real incluye a múltiples disciplinas. Las aplicaciones automotrices requieren la fusión de sistemas de sensores de cámara, radar y LiDAR. El mapeo con drones y GPS proporciona a los investigadores e ingenieros detalles de imágenes en 3D para sentar las bases para los proyectos de construcción. El mapeo LiDAR submarino o batimétrico define la ubicación de las estructuras submarinas. Estas aplicaciones, junto con muchas otras, tienen sus propios requisitos de construcción LiDAR.

LiDAR y el espectro electromagnético.

En el extremo frontal del sistema óptico de la Figura 2, el fotodiodo D₂ detecta la luz que sale para el tiempo de la señal, mientras que D₁ detecta la luz que regresa. Esta señal óptica electromagnética puede abarcar desde el ultravioleta hasta el infrarrojo (Figura 3).

Figura 3: El espectro electromagnético es el rango de radiación electromagnética, de la cual solo una pequeña fracción se encuentra en el rango visible. (Fuente de la imagen: Cosmos)

La mayoría de los sistemas LiDAR utilizan sistemas de láser infrarrojo que utilizan silicio de avalancha InGaAs para D₁ y D₂, que tienen una longitud de onda óptica de 1310 nanómetros (nm) a 1550 nm. Sin embargo, existen sistemas LiDAR que utilizan señales ópticas visibles.

Conclusión

Entre sus muchas aplicaciones, LiDAR es un elemento crítico en el camino hacia ADAS cada vez más intuitivos y, por último, una capacidad automotriz completa de manos libres. A medida que mejoran estas tecnologías, los requisitos sobre los componentes de soporte para LiDAR continúan siendo más estrictos. Como se explica en este artículo, los circuitos del receptor de señales LiDAR basados en el TIA de gran ancho de banda MAX40660 y el comparador de alta velocidad MAX40025 de 280 ps pueden formar la base de un front-end LiDAR automotriz sólido.