Zapewnienie precyzji samochodowego czujnika odległości LiDAR dzięki odpowiedniemu wzmacniaczowi transimpedancyjnemu

Aby pojazdy autonomiczne mogły odnieść sukces, pasażerowie, muszą ufać czujnikom i oprogramowaniu samochodu, które poprowadzi ich bezpiecznie i dokładnie do celu. Kluczem do zapewnienia zaufania jest połączenie danych z różnych typów czujników w celu zwiększenia dokładności, redundancji i bezpieczeństwa, czyli technika, która umożliwia działanie zaawansowanych systemów wspomagania kierowcy (ADAS). Jednym z podstawowych czujników jest czujnik wykonujący wykrywanie i pomiar odległości z wykorzystaniem światła (LiDAR, Light Detection and Ranging). Projektanci samochodów autonomicznych muszą zapewnić najwyższą niezawodność, rozdzielczość, precyzję i czas reakcji systemów LiDAR.

Parametry działania systemów LiDAR zależą w znacznym stopniu od wzmacniacza transimpedancyjnego front-end (TIA), który szybko pozyskuje sygnał z fotodiody lawinowej (APD) w celu zapewnienia cyfrowego sprzężenia zwrotnego. Porównując sygnaturę czasową sygnału sprzężenia zwrotnego z sygnaturą czasową sygnału nadawanego, można obliczyć czas przelotu i określić odległość.

W tym artykule zostaną pokrótce omówione zagadnienia związane z uzyskiwaniem parametrów obwodu sprzężenia zwrotnego dla precyzyjnego wykrywania obiektów przy użyciu technologii LiDAR. W dalszej części zostanie przedstawiony wzmacniacz transimpedancyjny (TIA) firmy Analog Devices. Artykuł omówi sposób wykorzystania jego szybkości, szerokości pasma i niskiej impedancji wejściowej do szybkiej regeneracji po impulsach światła odbitego, które mogą generować nanosekundowe (ns) czasy narastania fotodiody. Artykuł wskaże również sposoby eliminacji prądu ciemnego fotodiody lawinowej (APD) i światła z otoczenia za pomocą sprzężenia prądu zmiennego, aby umożliwić dokładne oszacowanie czasu przelotu i uzyskać najlepsze ogólne parametry działania.

Kluczowe elementy zaawansowanego systemu wspomagania kierowcy (ADAS)

Sercem systemów ADAS są zaawansowane systemy czujników umożliwiające analizę obiektów zewnętrznych. Identyfikacja i lokalizacja tych obiektów umożliwia pojazdowi powiadomienie kierowcy lub podjęcie odpowiednich działań - lub jednego i drugiego - w celu uniknięcia wypadku. Technologie czujników wykorzystywane w systemach ADAS mogą obejmować kamery, inercyjne jednostki pomiarowe (IMU), radary i oczywiście technologię LiDAR. LiDAR jest wśród nich kluczową technologią optyczną, która umożliwia pojazdom autonomicznym wykrywanie złych warunków pogodowych i odległości poprzecznych oraz prowadzenie pomiarów odległości. Stanowi ona integralną część systemów ADAS (ilustracja 1).

Ilustracja 1: systemy wizyjne (kamery i związane z nimi oprogramowanie), radarowe i LiDAR uzupełniają się nawzajem w przekazywaniu danych do systemu ADAS, który podejmuje działania. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

System ADAS wykorzystuje kamery do szybkiego i dokładnego wykrywania oraz rozpoznawania obiektów zewnętrznych, takich jak pojazdy, piesi, przeszkody, znaki drogowe i linie wyznaczające pasy ruchu. Analiza wyzwala odpowiednią reakcję w celu zmaksymalizowania bezpieczeństwa. Reakcje obejmują m.in. ostrzeżenie o opuszczeniu pasa ruchu, automatyczne hamowanie awaryjne, alarmy martwego pola oraz monitorowanie czujności i przytomności kierowcy. Mocną stroną kamer jest klasyfikacja obiektów i rozdzielczość poprzeczna.

Niezależny system inercyjnej jednostki pomiarowej (IMU) mierzy ruchy kątowe i liniowe, zwykle za pomocą triady żyroskopów, magnetometrów i przyspieszeniomierzy. System IMU jest zawieszony przegubowo w celu uzyskania wiarygodnych wyników zintegrowanych wartości prędkości kątowej i przyspieszenia. Zawieszenie przegubowe to obrotowa podpora, która umożliwia obrót obiektu wokół jednej osi. Zestaw trzech zawieszeń przegubowych zamontowany jedno na drugim z ortogonalnymi osiami obrotu pozwala obiektowi zamontowanemu w wewnętrznym zawieszeniu przegubowym zachować niezależność od obrotu jego podpory. System IMU poprawia dokładność globalnego systemu nawigacji satelitarnej z metrów do centymetrów w celu dokładnego ustalania położenia na pasie ruchu.

Samochodowe adaptacje technologii radarowych mierzą wiele różnych zmiennych, w tym odległość i prędkość, zapewniając jednocześnie „widoczność” w ciemności. Zazwyczaj w celu uzyskania wysokiej rozdzielczości stosuje się sygnały o częstotliwości 24 i 77GHz. Czujnik radarowy przechwytuje sygnały odbite od różnych obiektów znajdujących się w jego polu widzenia. Następnie pojazd analizuje dane wyjściowe z czujnika w kontekście danych wejściowych z wszystkich innych czujników, aby określić, czy konieczne jest dostosowanie układu kierowniczego i hamulcowego, aby np. zapobiec kolizji.

Dopełniając system ADAS, technologia LiDAR wykorzystuje elementy optyczne o zakresie wrażliwości widmowej od 200 do 1150nm. System mierzy czas przelotu (ToF) od momentu wysłania impulsu laserowego do odbioru odbitych sygnałów. Kompilacja wielu sygnałów umożliwia tworzenie dokładnych wielowymiarowych map głębi otoczenia pojazdu. Zastosowania technologii LiDAR obejmują unikanie kolizji, wykrywanie martwego pola, hamowanie awaryjne, tempomaty adaptacyjne, dynamiczną kontrolę zawieszenia i wspomaganie parkowania. Systemy LiDAR przewyższają radary pod względem rozdzielczości poprzecznej i możliwości działania w złych warunkach pogodowych.

Systemy ADAS i pojazdy autonomiczne wymagają wielu takich czujników rozmieszczonych wokół pojazdu w celu wykrywania i analizy w zakresie 360˚ (ilustracja 2).

Ilustracja 2: kamery, radar i LiDAR razem zapewniają pole widzenia 360° wokół pojazdu, dbając o bezpieczeństwo osób znajdujących się wewnątrz i na zewnątrz. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

W miarę udoskonalania tych czujników i związanego z nimi oprogramowania, kierowcy, pasażerowie i wszystkie osoby znajdujące się w pobliżu pojazdu będą bezpieczniejsze.

Elementy optyczne w technologii LiDAR

Konstrukcje LiDAR rozwinęły się od czujników typu „puszka na kawę” wirujących na dachu samochodu i wycenianych na około 75 tysięcy dolarów, do bardziej nowoczesnych rozwiązań kosztujących w granicach 1000 dolarów za sztukę. Redukcja kosztów wynika przede wszystkim z postępu w dziedzinie laserów i związanej z nimi elektroniki. Przejście do laserów wyłącznie półprzewodnikowych (w porównaniu z wirującą puszką) i związane z tym skalowanie procesów półprzewodnikowych to główne czynniki, dzięki którym koszty i rozmiary zostały zredukowane. Obecnie wiele czujników LiDAR można umieścić z przodu i z tyłu pojazdu, a także po bokach, zapewniając niskim kosztem widoczność w zakresie 360˚.

Typową konstrukcję LiDAR można podzielić na trzy główne części: akwizycja danych (DAQ), analogowy układ front-end (AFE) i źródło laserowe (ilustracja 3).

Ilustracja 3: system ewaluacyjny LiDAR dzieli się na trzy główne składniki: akwizycję danych (DAQ), analogowy układ front-end (AFE) i źródło laserowe. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Akwizycja danych (DAQ) zawiera szybki przetwornik analogowo-cyfrowy (ADC) oraz związane z nim zasilanie i taktowanie, umożliwiające gromadzenie danych czasu przelotu (ToF) z lasera i analogowego układu front-end (AFE). Analogowy układ front-end (AFE) zawiera czujnik świetlny z fotodiodą lawinową (APD) i wzmacniacz transimpedancyjny (TIA), służące do przechwytywania sygnałów odbitych. Cały ten łańcuch sygnałowy kondycjonuje sygnał wyjściowy z fotodiody lawinowej (APD), który jest podawany do przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC) w sekcji akwizycji danych (DAQ). Analogowy układ front-end (AFE) zawiera również taktowanie opóźnienia na wyjściu do akwizycji danych (DAQ). Część laserowa zawiera lasery i związane z nimi obwody sterujące oraz przesyła początkowy sygnał wyjściowy lasera.

Analogowy układ front-end (AFE) systemu LiDAR

Jak pokazano na ilustracji 4, przykładowy łańcuch sygnałowy odbiornika LiDAR rozpoczyna się od wysokonapięciowego układu polaryzacji zaporowej (-120 do -300V), fotodiody lawinowej (APD) o niskiej pojemności wejściowej, po których następuje wzmacniacz transimpedancyjny (TIA), taki jak LTC6561HUF#PBF firmy Analog Devices. Ważne jest, aby podczas projektowania dążyć do niższych pojemności pasożytniczych na wejściu fotodiody lawinowej (APD) i na płytce drukowanej, aby dopasować się do wysokiego iloczynu wzmocnienia i szerokości pasma wzmacniacza transimpedancyjnego, wynoszącego 220MHz. Sekcja wejściowa wzmacniacza transimpedancyjnego (TIA) wymaga dodatkowej uwagi, aby osiągnąć pożądany poziom integralności sygnału i izolacji kanału, tak aby dodatkowe szumy nie były dodawane do sygnału prądowego generowanego przez fotodiodę lawinową (APD), maksymalizując w ten sposób stosunek sygnału do szumu (SNR) i współczynnik wykrywalności obiektów przez system.

Aby poprawić integralność sygnału, wzmacniacz transimpedancyjny (TIA) jest wyposażony w dolnoprzepustowy filtr wzmacniacza LT6016 firmy Analog Devices, który tłumi oscylacje komutacyjne sygnałów o dużej prędkości. Wzmacniacz transimpedancyjny (TIA) konwertuje prąd wyjściowy z fotodiody lawinowej (I_APD) na napięcie wyjściowe, V_TIA. Napięcie V_TIA jest przesyłane do różnicowego wzmacniacza buforowego (układu ADA4950-1YCPZ-R7 firmy Analog Devices), który steruje wejściem przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC) (którego nie przedstawiono na ilustracji).

Ilustracja 4: analogowy układ front-end (AFE) w tej konstrukcji zawiera fotodiodę lawinową (APD), wzmacniacz transimpedancyjny (TIA) LTC6561 oraz szybki wzmacniacz różnicowy wejścia-wyjścia ADA4950. Układ LT6016 to wzmacniacz filtrujący, który tłumi szybkie oscylacje komutacyjne sygnału. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Aby obliczyć odległość z użyciem czasu przelotu (ToF), wykorzystywany jest przyrost częstotliwości próbkowania przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC) w celu określenia rozdzielczości odbieranego impulsu świetlnego - równanie 1:

Równanie 1

Gdzie:

L_S = prędkość światła (3 x 10⁸m/s)

f_S = częstotliwość próbkowania przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC)

N = liczba próbek przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC) w przedziale czasowym między wygenerowaniem impulsu świetlnego a odebraniem jego odbicia

Na przykład, jeśli częstotliwość próbkowania przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC) wynosi 1GHz, każda próbka odpowiada odległości 15cm.

Niepewność próbkowania musi być bliska zeru, ponieważ nawet kilka próbek z niepewnymi wynikami skutkuje znacznymi błędami pomiarowymi. W związku z tym, w dążeniu do zerowej niepewności próbkowania systemy LiDAR wykorzystują równoległe wzmacniacze transimpedancyjne (TIA) i przetworniki analogowo-cyfrowe (ADC). Ten wzrost liczby kanałów zwiększa straty mocy i rozmiary płytki drukowanej. Wspomniane krytyczne ograniczenia projektowe wymagają również szybkich, szeregowych wyjściowych przetworników analogowo-cyfrowych (ADC) z interfejsami JESD204B, w celu rozwiązania problemów związanych z równoległymi przetwornikami analogowo-cyfrowymi (ADC).

Czujniki LiDAR

Jak wspomniano, kluczowym elementem pomiarowym w systemie LiDAR jest fotodioda lawinowa (APD). Napięcie polaryzacji zaporowej tych fotodiod przy wzmocnieniu wewnętrznym waha się od kilkudziesięciu do kilkuset woltów. Stosunek sygnału do szumu (SNR) fotodiody lawinowej (APD) jest wyższy niż w przypadku fotodiody PIN. Ponadto fotodioda lawinowa (APD) wyróżnia się krótkim czasem reakcji, niskim prądem ciemnym i wysoką czułością. Zakres wrażliwości widmowej fotodiody lawinowej (APD) rozciąga się od 200 do 1150nm, zgodnie z typowym zakresem widmowym technologii LiDAR.

Dobrym przykładem fotodiody lawinowej (APD) jest dostarczany przez firmę Marktech Optoelectronics komponent MTAPD-07-010 o wrażliwości widmowej w zakresie 400 do 1100nm, z maksimum przy 905nm (ilustracja 5). Obszar aktywny urządzenia ma powierzchnię 0,04mm². Rozprasza ono 1mW energii, ma prąd przewodzenia o wielkości 1mA i napięcie robocze na poziomie 0,95 x jego napięcie przebicia (Vbr), które wynosi (maksymalnie) 200V. Czas narastania wynosi 0,6ns.

Ilustracja 5: fotodioda lawinowa (APD) MTPAPD-07-0101 posiada reakcję maksymalną przy 905nm, obszar aktywny 0,04mm² i czas narastania 6ns. (Źródło ilustracji: Marktech Optoelectronics)

Typowa półprzewodnikowa fotodioda lawinowa (APD) działa przy stosunkowo wysokim napięciu zaporowym liczonym w dziesiątkach lub nawet setkach woltów, czasami tuż poniżej napięcia przebicia (w MTAPD-07-010 wynosi ono 0,95Vbr). W tej konfiguracji przechwycone fotony wzbudzają elektrony i dziury w silnym wewnętrznym polu elektrycznym, tworząc nośniki wtórne. Na przestrzeni kilku mikrometrów proces lawinowy skutecznie wzmacnia fotoprąd.

Ze względu na swoją charakterystykę pracy, fotodiody lawinowe (APD) wymagają mniejszego wzmocnienia sygnału elektronicznego i są mniej podatne na szumy elektroniczne, co czyni je użytecznymi w przypadku bardzo czułych detektorów. Współczynniki zwielokrotnienia lub wzmocnienia półprzewodnikowych fotodiod lawinowych (APD) różnią się w zależności od urządzenia i przyłożonego napięcia wstecznego. Wzmocnienie urządzenia MTAPD-07-010 wynosi 100.

Wzmacniacze transimpedancyjne (TIA)

Technologia LiDAR emituje cyfrowy, impulsowy sygnał optyczny, którego odbicia są przechwytywane przez fotodiodę lawinową (APD) diodę MTAPD-07-010. Wymaga to zastosowania wzmacniacza transimpedancyjnego (TIA) z krótkim czasem regeneracji po przeciążeniu przez nasycenie i szybkim multipleksowaniem wyjścia. Wymagania te spełnia niskoszumowy, czterokanałowy wzmacniacz transimpedancyjny LTC6561 o szerokości pasma 220MHz (ilustracja 6).

Ilustracja 6: poczwórny wzmacniacz transimpedancyjny (TIA) LTC6561 z niezależnymi wzmacniaczami i jednym multipleksowanym stopniem wyjściowym zaprojektowano dla urządzeń LiDAR wykorzystujących fotodiody lawinowe (APD). (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Na ilustracji 6 odbite sygnały laserowe (zob. ilustracja 3) są przechwytywane przez układ fotodiod lawinowych (APD) i cztery niskoszumowe wzmacniacze transimpedancyjne (TIA) o szerokości pasma 200MHz. Wzmacniacze transimpedancyjne (TIA) szybko przesyłają przechwycone sygnały do detektora czasu przelotu (ToF) (u góry, z prawej strony). Kondensatory o pojemności 1nF na wejściu czterech wzmacniaczy transimpedancyjnych (TIA) skutecznie filtrują i eliminują prąd ciemny fotodiody lawinowej (APD) oraz oświetlenie z otoczenia, zachowując zakres dynamiczny wzmacniaczy transimpedancyjnych (TIA). Jednakże wartość pojemności kondensatorów wpływa na czasy przełączania, więc należy to uwzględniać w projektach.

W warunkach intensywnego oświetlenia fotodiody lawinowe (APD) mogą przewodzić duże prądy, często przekraczające 1A. Układ LTC6561 wytrzymuje je i szybko regeneruje się po wysokich prądach przeciążeniowych tego rzędu wielkości. Szybka regeneracja po przeciążeniu ma krytyczne znaczenie dla zastosowań LiDAR. Szybka regeneracja po przeciążeniu 1mA trwa 10ns (ilustracja 7).

Ilustracja 7: wzmacniacz LTC6561 wytrzymuje i szybko regeneruje się w czasie 10ns po wysokich prądach przeciążeniowych rzędu 1mA. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Na ilustracji 7, szerokość impulsu wyjściowego zwiększa się, gdy poziom prądu wejściowego przekracza zakres liniowy. Jednak czas regeneracji nadal liczy się w dziesiątkach nanosekund. Układ LTC6561 regeneruje się z nasyceń 1mA w czasie do 12ns bez odwrócenia fazy, minimalizując w ten sposób utratę danych.

Podsumowanie

Droga do sukcesu pojazdów autonomicznych rozpoczyna się od integracji i połączenia kamer, inercyjnych jednostek pomiarowych (IMU), radarów i technologii LiDAR. Technologia LiDAR jest szczególnie obiecująca, pod warunkiem zrozumienia i odpowiedniego potraktowania problemów związanych z precyzyjnym wykrywaniem obiektów przy użyciu tej technologii optycznej.