マキシム、高度LiDARモジュールで自律高速道路走行を15 km/h高速化

自動運転の到来により、レーザーイメージング検出と測距（LiDAR）センサの自動車エレクトロニクスプラットフォームへの搭載が決定的に拡大しました。LiDARはレーダーの原理で動作しますが、赤外レーザーダイオードから発せられる光パルスを使用します。

マキシム・インテグレートの新しいMAX40026高速コンパレータとMAX40660/MAX40661高帯域幅トランスインピーダンスアンプ（TIA）により、同じサイズのLiDARモジュールで帯域幅を倍増し、チャネル数を32追加（合計128チャネル、従来96）することで、高速道路速度域での自律走行を15 km/h高速化します。

LiDARとは

マキシムのマウリツィオ・ガヴァルドーニ氏が、4チャネルLiDAR受信システムの評価ボードをデモ。First Sensorの光フォトダイオードとマキシムの新発売TIAおよび高速コンパレータを搭載。（画像：マキシム・インテグレート）

AI、カメラ、レーダーとともに、センサは支援運転と自動運転に不可欠です。物体の正確な距離測定と道路上の障害物検出（落下した樹木、他車、飛び出す子供など）が可能なため、LiDARセンサは高度運転支援システム（ADAS）の採用を推進し、自律走行車（AV）開発に不可欠です。AVの周囲環境認識は極めて高精度でなければならず、実験的なロボカーはセンサで満載されています。レーザー照明システムの使用により、視界不良や無視界条件、路面標示がない状況でも自動運転が可能になります。

「LiDARセンサは、物体の正確な距離測定能力により、車両センサの融合においてますます重要な役割を果たしています」とマキシム・インテグレートのテクニカルスタッフ主要メンバー、マウリツィオ・ガヴァルドーニ氏は述べています。「典型的なLiDARセンサは光パルスを送信し、物体で反射した光をフォトダイオードで適切に検出することで、周囲環境をマッピングできます。」

LiDARシステムは飛行時間（ToF）に基づき、精密なタイミングイベントを測定します（図1）。最新の開発では、複数ビームLiDARシステムが登場し、車両周囲の精密な3Dイメージを生成。この情報を用いて最適な運転操作を選択します。

図1：飛行時間機能ブロック図（画像：マキシム・インテグレート）

図2はLiDARセンサの基本レイアウトを示します。LiDARシステムにはマイクロパルスLiDARと高エネルギーLiDARの2種類があります。マイクロパルスシステムは、増大するコンピューティングパワーとレーザー技術の進歩の結果として開発されました。これらの新システムは非常に低電力（1 Wオーダー）で、ほとんどの用途で完全に安全。一方、高エネルギーLiDARは大気監視システムで一般的で、高度、層化、雲密度などの大気パラメータ検出に使用されます。

図2：主要電子部品を示したLiDARセンサの一般的レイアウト（画像：マキシム・インテグレート）

「自動車自動運転システムは35 mphから65 mph以上へ進化していますが、より高速な自律走行システムが不可欠です」とガヴァルドーニ氏。「これらの要求を満たす課題は、物体の高精度距離測定、より多くの精度、空間制約プラットフォームへのより多くのチャネル収容、厳格な安全要件への準拠に直結します。」

LiDARハードウェア

LiDARプロジェクトにおいて、トランスインピーダンスアンプは電子レイアウトの最も重要な部分です。低ノイズ、高利得、低群遅延、過負荷からの高速回復を備える新しいマキシムTIAは、距離測定アプリケーションに最適です。

TIA回路は、電気光学ソリューションの出力をバッファリングおよびスケーリングして高速と高ダイナミックレンジを実現する必要があるアプリケーションでよく使用されます。TIAは電流-電圧コンバータで、ほぼ排他的に1つ以上のオペアンプで実装されます（図3）。

図3：逆バイアスフォトダイオードを用いたTIAの一般的レイアウト（画像：Wikipedia）

フォトトランジスタとフォトダイオードは密接に関連し、入射レーザー光を電流に変換。これらのデバイスから最大性能を引き出すには、インターフェイス回路、波長、光学機械アライメントに特別な注意が必要です。MAX40660/MAX40661トランスインピーダンスアンプは、高分解能を用いてより高速な自動運転システムを実現。TIAは低電力モードで消費電流を80%以上削減。マキシムのTIAは、MAX40660で490 MHz帯域幅、2.1 pA/√Hzノイズ密度で128チャネルをサポートし、より高い測定精度を提供します（図4）。

図4：MAX40660ブロック図（画像：マキシム・インテグレート）

一方、MAX40026はTOF距離測定アプリケーション向けの単一電源高速コンパレータです。低い10ピコ秒の伝播遅延分散が、固定および移動物体の正確な検出に寄与。「分散遅延の低減とシステムあたりのチャネル数増加により、より精密なタイミング測定が可能になり、システム分解能を向上させ、より高速な走行を実現します」とガヴァルドーニ氏。

MAX40026の入力コモンモード範囲は1.5 V〜VDD + 0.1 Vで、広く使用されている複数の高速TIAの出力スイングと互換性があります。低電圧差動信号（LVDS）出力段は消費電力を最小化し、多くのFPGAおよびCPUと直接インターフェイス可能です（図5）。

図5：MAX40026機能ブロック図（画像：マキシム・インテグレート）

新ソリューションのサイズはさらに縮小され、限られたスペースの車両プラットフォームにより多くのチャネルを搭載可能。これらのICは、AEC-Q100認定、向上した静電気放電（ESD）性能、故障モード影響診断解析（FMEDA）により、自動車業界の最も厳格な安全要件を満たし、システムレベルでのISO 26262認証をサポートします。

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