奥迪A8的关键要素是激光雷达。这是汽车制造商首次使用激光雷达。这款激光雷达所采用的机械系统采用了旋转镜技术，以及905nm波长的边缘发射技术。该器件的量程为150m，水平视场角为145°，垂直视场角为3.2°。电机控制单元包含一个定子和转子，并带有控制驱动器，以及MPS40S霍尔传感器而用于运动检测。霍尔效应传感器的输出电压会随着磁场而发生改变。因为没有机械零件会随着时间的推移而发生磨损，所以这是一种持久的解决方案。集成式封装则可减少系统的大小和实现的相对复杂性（图9、图10、图11）。
激光雷达系统采用飞行时间（ToF）技术，可测量精确的计时事件（图12）。从最新的发展可看到，有几种多光束激光雷达系统已可以对车辆周围的环境生成精确的三维图像。这个信息可用于选择最合适的驾驶操作。
图9：激光雷达。（图片来源：System Plus）
图10： Audi A8中所用激光雷达的内部。
图11：激光雷达的方块图。
图12：ToF工作原理图。（图片来源：Maxim Integrated）
边缘发射激光器是半导体激光器的原始形式并且仍然受到广泛使用。其谐振长度可以实现高增益。在该结构内，激光束在典型的双异质结构波导结构中被引导。根据波导的物理特性，有可能实现高光束质量但输出功率有限的输出，或高输出功率但光束质量低的输出（图13）。
图13：边缘发射激光二极管。
如图13所示，激光雷达解决方案中所使用的激光器采用3引脚TO型封装，裸片面积为0.27mm2。激光器的功率为75W，直径为5.6mm。“激光器元件可能是Sheaumann采用100mm晶圆制造的。”Fraux说道。调节单元采用雪崩光电二极管（APD）来获取穿过两片透镜（一个发射和一个接收）后的激光束。“APD可能是由First Sensor采用150mm晶圆制造的，并采用了8引脚FR4 LLC封装，裸片面积为5.2mm2（图14）。”Fraux表示。
APD是一种高速光电二极管，它使用光子倍增来获得低噪声信号。APD比PIN光电二极管具有更高的信噪比，可用于各种应用，例如高精度测距仪和低照度检测。从电子角度来看，APD需要更高的反向电压，并需要更详细地考虑其与温度有关的增益特性。
图14：雪崩光电二极管（APD）。
除了用于激光和运动控制的两个单元之外，控制硬件还包括了主板，它包括Xilinx XA7Z010 SoC双核Arm Cortex-A9、32位ST SPC56EL60L3 MCU，以及一个电源管理系统，其中又包括ADI的同步降压稳压器、英飞凌的双通道智能高边电源开关、ADI带LDO的三路单片式降压IC和Allegro的三相无传感器风扇驱动器IC。FlexRay协议支持数据通信；FlexRay系统由几个电子控制单元组成，每个单元都具有一个控制器，而对一个或两个通信通道的访问进行管理。
估计这种激光雷达技术在每年超过10万个的情况下每单位成本可能达到150美元，其中很大一部分与主机板和激光器有关（图15）。
图15：拆解的激光雷达硬件。
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、高增益和快速恢复特性使这种新器件成为汽车应用的理想选择。为了获得最佳性能，设计人员必须特别注意电路之间的接口与集成、波长以及光机械对准等问题。这些集成电路符合AEC-Q100认证，可满足汽车行业最严格的安全要求。
（原文刊登于EDN姐妹网站EETimes美国版，参考链接：Under the Hood: What Audi A8 Has Taught Us）
本文为《电子技术设计》2020年6月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里。
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