신중한 TIA 및 비교기 선택의 중요성을 보여주는 LiDAR 작동 방식 이해

광 감지 및 거리 측정(LiDAR)은 자동차 설계 분야와 가장 광범위하게 연결되어 있습니다. 이 분야의 몽상가들은 LiDAR이 핸즈프리 미래를 실현하는 데 도움이 될 수 있다고 생각합니다. 특히, 디지털로 제어되는 광학 신호는 반사된 신호를 감지하는 3D 스캐닝 기기에서 방출되어 환경을 분석하고 점점 더 발전하는 첨단 주행 보조 시스템(ADAS) 개발을 지원합니다. 몽상가들의 아이디어는 옳았지만, 현재의 구현은 고전적인 '커피 캔' 접근 방식과는 크게 다릅니다(그림 1).

그림 1: 원초적인 커피 캔 접근 방식에서 극적인 진화를 이룬 자동차 LiDAR 센서는 ADAS에 중요한 구성 요소입니다. (이미지 출처: Research Gate)

초기 개발자들은 360도 사진을 목표로 했지만 이 솔루션은 가격이 좀 있어서 완전히 상용화되지 못했습니다. 이제 자동차 응용 제품은 전방으로, 필요에 따라 후방으로, 때로는 오른쪽 및 왼쪽으로 매핑하는 기능만 필요로 하여 보다 경제적인 설계의 문을 열어주는 것처럼 보입니다.

하지만 제 생각은 다릅니다. 자동차 시스템에만 초점을 두는 것은 LiDAR의 잠재력을 정당화할 수 없으므로 작동 방식에 대한 이해부터 시작하여 전체적인 LiDAR 관점을 살펴보겠습니다.

LiDAR 코어를 지배하는 트래스 임피던스 증폭기

LiDAR의 핵심은 신호가 방출될 때부터 개체에 반사되어 돌아올 때까지 광학 신호의 ToF(비행 시간)를 측정하는 것입니다. 이 기술은 레이저 구동기에서 레이저 다이오드로 전송되는 일련의 디지털 신호에 매우 잘 작동합니다. LiDAR 시스템은 신호 주파수 대신 신호 에지를 찾으려고 합니(그림 2). 이 감지 방법을 사용하려면 우수한 트랜스 임피던스 증폭기(TIA)가 필요합니다.

그림 2: 레이저 다이오드는 디지털 광 펄스를 방출하고 TIA는 반환 펄스를 캡처합니다. (이미지 출처: Analog Devices Inc./Maxim Integrated)

그림 2에서, LiDAR 신호 수신기 회로망은 Analog Devices/Maxim Integrated MAX40660 고대역폭 TIA와 Analog Devices Inc./Maxim Integrated MAX40025 초저분산 280ps(피코초) 고속 비교기(COMP)로 구성되어 있습니다.

MAX40660은 광학 거리 측정 체인의 수신기 링크를 형성합니다. 이는 자동차 LiDAR용으로 설계되었으므로 저잡음, 고이득, 낮은 그룹 지연과 함께 과부하로부터의 빠른 출력 복구, 입력 전류 클램프 및 2.1pA의 입력 기준 잡음 밀도를 제공합니다. 또한 핀 선택이 가능한 25kΩ 및 50kΩ 트랜스 임피던스와 0.5pF(피코패럿) 입력 정전 용량과 함께 490MHz(통상)의 넓은 대역폭을 제공합니다.

이 광학 감지 시스템의 프런트 엔드는 본질적으로 광학 신호를 효과적으로 캡처하기 위해 신중한 설계 선택과 모범 사례 구현에 의존하는 광검출기입니다. 이는 고정 또는 이동 개체 감지를 가능하게 하는 고유한 대역폭 및 잡음 사양을 가진 TIA를 의미합니다. MAX40660 TIA의 넓은 대역폭은 다양한 물리적 상태에 대한 세부 정보를 캡처하고 낮은 잡음은 분산 레벨을 낮춥니다.

MAX40025 고속 COMP는 1비트, 아날로그 디지털 컨버터(ADC)로 작동합니다. 25ps의 매우 낮은 과잉 구동 분산으로 ToF 거리 측정 응용 분야에 이상적입니다. MAX40025를 사용하면 TIA 광학 신호가 비교기의 통상 280ps 전파 지연으로 정확한 '1' 또는 '0'으로 변환됩니다.

이동 거리에 따라 D₁의 광 충격이 선명하거나 흐릿할 수 있습니다. 또한 대기에 오염 물질이 있거나, 시스템을 더욱 혼란스럽게 만드는 장해 팬텀 광이 있을 수 있습니다.

이러한 효과를 상쇄하기 위해 실세계에서 LiDAR 시스템의 효과적인 사용에는 여러 분야가 관련되어 있습니다. 자동차 응용 제품에는 LiDAR, 레이더, 카메라 센서 시스템의 융합이 요구됩니다. 드론과 GPS를 사용한 매핑은 연구원과 엔지니어에게 건설 프로젝트의 토대를 마련하기 위한 3D 이미지 세부 정보를 제공합니다. 수심 측정 또는 잠수함 LiDAR 매핑은 수중 구조물의 위치를 ​​정의합니다. 이러한 응용 제품은 다른 응용 제품과 마찬가지로 고유한 LiDAR 구성 요구 사항을 가집니다.

LiDAR 및 전자기 스펙트럼

그림 2의 광학 시스템 프런트 엔드에서 광 다이오드 D₂는 신호 타이밍을 위해 출발하는 빛을 감지하고 D₁은 돌아오는 빛을 감지합니다. 이 전자기 광학 신호는 자외선에서 적외선까지 포괄할 수 있습니다(그림 3).

그림 3: 전자기 스펙트럼은 가시 범위가 극히 일부인 전자기 방사선의 범위입니다. (이미지 출처: Cosmos)

대부분의 LiDAR 시스템은 D₁ 및 D₂에 대해 애벌런치 InGaAs 실리콘을 사용하는 적외선 레이저 시스템을 사용합니다. 이는 1310nm(나노미터) ~ 1550nm의 광학 파장을 가집니다. 그러나 가시 광학 신호를 사용하는 LiDAR 시스템도 있습니다.

결론

많은 응용 제품 중에서 LiDAR는 점점 더 직관적인 ADAS와 궁극적으로 완전한 핸즈프리 자동차 기능을 향한 길을 따라가는 중요한 요소입니다. 이러한 기술이 향상됨에 따라 LiDAR의 지원 구성 요소에 대한 요구 사항은 계속해서 더 엄격해지고 있습니다. 이 글에서 논의한 바와 같이 MAX40660 고대역폭 TIA 및 MAX40025 280ps 고속 비교기를 기반으로 하는 LiDAR 신호 수신기 회로망은 견고한 자동차 LiDAR 프런트 엔드의 기반을 형성할 수 있습니다.