LiDAR模块可提高自动驾驶安全速度

自动驾驶的出现决定性地扩大了汽车电子平台中激光成像检测和测距 (LiDAR) 传感器的存在。LiDAR 根据雷达原理工作，但使用红外激光二极管发出的光脉冲。

Maxim Integrated 的新型 MAX40026 高速比较器和 MAX40660/MAX40661 高带宽跨阻放大器 (TIA) 通过将带宽翻倍并增加 32 个通道（总共 128 个而不是 96 个) 在相同尺寸的 LiDAR 模块中。

什么是激光雷达？

Maxim 的 Maurizio Gavardoni 演示了用于四通道 LiDAR 接收系统的评估板。它包括 First Sensor 的光学光电二极管和 Maxim 新推出的 TIA 和高速比较器。

除了人工智能、摄像头和雷达之外，传感器对于辅助和自动驾驶也是必不可少的。因为它们可以提供对物体的准确测量并检测道路上的障碍物——倒下的树枝、其他汽车，甚至是闯入交通的儿童——LiDAR 传感器已经帮助推动了先进驾驶辅助系统 (ADAS) 的采用，并且是对自动驾驶汽车 (AV) 的发展至关重要。自动驾驶汽车对周围环境的感知必须非常精确，这就是为什么实验性机器人汽车充满了传感器。激光照明系统的使用允许自动驾驶汽车在低能见度或无能见度条件下甚至在没有道路标记的情况下运行。

“激光雷达传感器在车辆传感器融合中发挥着越来越重要的作用，因为它们能够提供准确的物体距离测量，”Maxim Integrated 技术人员的主要成员 Maurizio Gavardoni 说。“典型的 LiDAR 传感器会发送光脉冲，这些光脉冲会被物体反射并被光电二极管充分检测到，让您可以绘制周围环境的地图。”

LiDAR 系统基于飞行时间 (ToF)，可测量精确的定时事件（图 1）。最新的发展已经看到了几个多光束 LiDAR 系统，它们可以生成车辆周围环境的精确 3D 图像。该信息用于选择最合适的驾驶操作。

图 1：飞行时间功能图（图片：Maxim Integrated）

图 2显示了 LiDAR 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。微脉冲系统是随着计算能力的不断提高和激光技术的进步而发展起来的。这些新系统使用非常低的功率，大约为 1 W，并且对于大多数应用来说是完全安全的。另一方面，高能激光雷达在大气监测系统中很常见，其中传感器用于检测大气参数，如高度、分层和云密度。

图 2：显示主要电子部件的 LiDAR 传感器的总体布局（图片：Maxim Integrated）

“汽车自动驾驶系统正在从 35 mph 发展到 65 mph 甚至更高，但更快的自动驾驶系统是必不可少的，”Gavardoni 说。“满足这些需求的挑战[转化为]物体的高精度距离测量，[需要]更高的精度，更多的通道以适应空间受限的平台，[并符合]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、低群延迟和从过载中快速恢复使新的 Maxim TIA 成为距离测量应用的理想选择。

TIA 电路通常用于需要电路来缓冲和缩放电光解决方案的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）。

图 3：具有反向极化光电二极管的 TIA 的总体布局（图片：维基百科）

光电晶体管和光电二极管密切相关，并将入射激光转换为电流。为了使这些器件发挥最大性能，设计人员必须特别注意接口电路、波长和光学机械对准。MAX40660/MAX40661跨阻放大器可实现更快的高分辨率自驱动系统。TIA 在低功耗模式下可将电流消耗降低 80% 以上。对于 MAX40660，Maxim 的 TIA 支持 128 个通道，带宽为 490 MHz，噪声密度为 2.1-pA/√Hz，以提供更高的测量精度（图 4）。

图 4：MAX40660 框图（图片：Maxim Integrated）

同时，MAX40026 是一款单电源高速比较器，适用于 TOF 距离测量应用。其 10 皮秒的低传播延迟色散有助于准确检测固定和移动物体。“较低的色散延迟和每个系统更多的通道可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1.5 V至VDD + 0.1 V，兼容多种广泛使用的高速TIA的输出摆幅。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 连接（图 5）。

图 5：MAX40026 功能图（图片：Maxim Integrated）

新解决方案的尺寸进一步缩小，允许在空间有限的车辆平台中插入更多通道。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) 性能以及影响和诊断分析 (FMEDA)——以支持系统级别的 ISO 26262 认证。

　　审核编辑：汤梓红