DE102020203191A1

DE102020203191A1 - Empfängeranordnung für eine Sensoreinrichtung

Info

Publication number: DE102020203191A1
Application number: DE102020203191.6A
Authority: DE
Inventors: Niklas Zimmermann; Horst Wagner; Konrad Hirsch
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Autonomous Mobility Germany GmbH
Priority date: 2020-03-12
Filing date: 2020-03-12
Publication date: 2021-09-16
Also published as: US20210286056A1

Abstract

Empfängeranordnung (10) für eine Sensoreinrichtung zur Umfelderkennung, umfassend ein optisches Element (14), welches einen beleuchteten Bereich festlegt, eine Vorrichtung zur Lichtdetektion, welche im beleuchteten Bereich angeordnet ist und das Licht einer Lichtquelle zur Umfelderkennung erfasst, mindestens eine Fotodiode (12a, 12b) zur Sensor-Blockadeerkennung, welche außerhalb des beleuchteten Bereichs angeordnet ist, und eine Sensor-Blockade erkannt wird, indem die Fotodiode (12a, 12b) Licht erfasst, welches durch die Sensor-Blockade außerhalb des beleuchteten Bereichs gestreut wurde, wobei der Fotodiode (12a, 12b) eine Auswerteschaltung nachgeschaltet ist, die einen Transimpedanzverstärker (17) umfasst.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Empfängeranordnung für eine Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, eine Sensoreinrichtung zur Umfelderkennung, ein Verfahren zur Umfelderkennung sowie ein Fahrzeug, welches eine erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst oder bei dem eine Umfelderkennung anhand des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt.
Technologischer Hintergrund
Moderne Fahrzeuge wie Personenkraftfahrzeuge, Lastkraftfahrzeuge, motorisierte Zweiräder oder andere aus dem Stand der Technik bekannte Fortbewegungsmittel werden zunehmend mit (Fahrer-)Assistenzsystemen ausgerüstet, welche mit Hilfe von geeigneter Sensorik bzw. Sensorsystemen die Umgebung erfassen, Verkehrssituationen erkennen und den Fahrer unterstützen können, z. B. durch einen Brems- oder Lenkeingriff oder durch die Ausgabe einer optischen oder akustischen Warnung. Als Sensorsysteme zur Umgebungserfassung werden regelmäßig Radarsensoren, Lidarsensoren, Kamerasensoren, Ultraschallsensoren oder dergleichen eingesetzt. Aus den durch die Sensoren ermittelten Sensordaten können anschließend Rückschlüsse auf die Umgebung gezogen werden. Anhand dieser Rückschlüsse können dann gattungsgemäße Assistenzfunktionen verwirklicht werden, wie z. B. eine Spurhalteregelung bzw. ein Spurhalteassistent (LKA - Lane Keep Assist), eine Notbremsfunktion (EBA - Emergency Brake Assist) oder ein Abstandsfolgeregelung (ACC - Adaptive Cruise Control).
Gattungsgemäße Lidar (Light detection and ranging) oder Ladar (laser detection and ranging)-Sensoren werden oftmals zur optischen Abstands- und Geschwindigkeitsmessung hinter der Frontscheide oder im Bereich von Scheinwerfern oder Stoßfängern eines Fahrzeuges angeordnet. Der Lidar sendet dabei Licht- bzw. Laserstrahlen in einem festlegbaren Winkel oder Winkelbereich von einem Sendeteil bzw. Sender aus. Das ausgesendete Licht trifft dann auf in der Umgebung befindliche Objekte, welche die Lichtstrahlen reflektieren. Die dadurch zurückgestreuten Reflexionen können dann von einem Empfangsteil bzw. Empfänger des Lidarsensors empfangen werden. Beispielsweise können dann über eine Laufzeitmessung des Lichts zwischen Sender und Empfänger die Entfernung zu den reflektierenden Objekten ermittelt werden. Derartige Lidarsensoren umfassen oftmals zusätzliche lichtdurchlässige Abdeckungen bzw. Kunststoffkörperteile zum Schutz des Lidarsensors, die als Lidom bezeichnet werden. Die Sensorbauteile, das Lidom oder die Frontscheibe des Fahrzeuges können jedoch aufgrund von Verschmutzungen oder Nässe (Regen- oder Kondensationstropfen) abgedeckt bzw. blockiert werden (eine sogenannte Soft-Blockade oder soft blockage), was zu einer Beeinträchtigung der Detektionsfunktion führt und dadurch die Funktionssicherheit verringert. Dementsprechend besteht ein besonderes Interesse daran, Verfahren zu entwickeln, um derartige Beeinträchtigungen zu erkennen (Blockade-Erkennung bzw. blockage detection) und zu beheben.
Ferner können in modernen Lidarsensoren empfängerseitig ein oder mehrere Fotodioden oder Fotodiodenarrays als Lichtdetektoren eingesetzt. Mittels Transimpedanzverstärker (TIA - Transimpedance Amplifier bzw. auch Strom-Spannungs-Wandler) kann der aus der Fotodiode kommende Strom konvertiert und verstärkt werden, dabei wird der Eingangsstrom in eine proportionale Ausgangsspannung umwandelt. Der Transimpedanzverstärker wirkt dabei als stromgesteuerte Spannungsquelle. Das Verhältnis von Ausgangsspannung U_a zu Eingangsstrom I wird als dabei als Transimpedanz Z ausgedrückt (Z in Ohm): Z = U_a / I. Ein gattungsgemäßer Transimpedanzverstärker umfasst einen Operationsverstärker der mit einem ohmschen Widerstand gegengekoppelt ist
Druckschriftlicher Stand der Technik
Aus der DE 20 2019 103 619 U1 ist ein Lidar-Empfänger bekannt, der ein optoelektronisches Bauelement, z. B. eine APD (Avalanche-Photodiode) oder einen Photodetektor (PD), und einen Transimpedanzverstärker (TIA) aufweist. Ferner ist eine Clipping-Anordnung zum Steuern einer Pulsverbreiterung für Eingangsströme in den Transimpedanzverstärker vorgesehen, wobei diese außerhalb des linearen Bereichs des Transimpedanzverstärkers liegen und Amplitudeninformationen für den Sättigungsbereich des Transimpedanzverstärkers liefern können.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Sensoreinrichtung mit Blockade-Erkennung zur Verfügung zu stellen, bei der die Bandbreite und der Dynamikbereich erhöht und die Rauschanfälligkeit verringert wird.
Lösung der Aufgabe
Die vorstehende Aufgabe wird durch die gesamte Lehre des Anspruchs 1 sowie der nebengeordneten Ansprüche gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beansprucht.
Die erfindungsgemäße Empfängeranordnung ist für eine Sensoreinrichtung zur Umfelderkennung vorgesehen, z. B. eine Sensoreinrichtung die mittels elektromagnetischer Wellen, wie Licht- bzw. Laserstrahlen das Umfeld erkennen kann, wobei unter einer Umfelderkennung im Sinne der Erfindung insbesondere eine Umgebungserfassung und Objekterkennung zu verstehen ist. Eine gattungsgemäße Sensoreinrichtung ist z. B. ein Lidarsensor oder ein High-Flash-Lidarsensor (HFL). Die Empfängeranordnung umfasst ein optisches Element, welches einen beleuchteten Bereich festlegt, z. B. durch dessen Lichtbrechungs- und Lichtbeugungseigenschaften, und eine Vorrichtung zur Lichtdetektion, welche im beleuchteten Bereich angeordnet ist und das Licht einer Lichtquelle zur Umfelderkennung erfasst. Ferner ist mindestens eine Fotodiode zur Sensor-Blockadeerkennung, vorzugsweise jedoch zwei oder mehrere Fotodioden zur Sensor-Blockadeerkennung vorgesehen, welche außerhalb des beleuchteten Bereichs angeordnet ist bzw. sind. Eine Sensor-Blockade wird dabei erkannt, indem die Fotodiode Licht erfasst, welches durch die Sensor-Blockade außerhalb des beleuchteten Bereichs gestreut wurde. Zur Auswertung der empfangenen Lichtsignale ist der Fotodiode eine Auswerteschaltung nachgeschaltet, die einen Transimpedanzverstärker umfasst. Daraus resultiert der Vorteil, dass die Bandbreite und der Dynamikbereich erhöht und die Rauschanfälligkeit verringert werden kann.
Vorzugsweise weist der Transimpedanzverstärker eine erste Stufe und eine zweite Stufe auf, wobei jede Stufe einen rückgekoppelten Operationsverstärker umfasst. Dadurch kann eine Zweiteilung der Aufgaben des Transimpedanzverstärker erfolgen. Beispielsweise kann die erste Stufe einen regulären Transimpedanzverstärker umfassen, der eine vergleichsweise niedrige Transimpedanz und eine vergleichsweise niedrige Verstärkung und somit eine vergleichsweise hohe Bandbreite aufweist. Die zweite Stufe kann dann einen Spannungsverstärker umfassen, der die effektive Transimpedanz des Detektors erhöht, sodass eine ausreichende Verstärkung der Stromeingangssignale der Fotodiode ohne Beeinträchtigung der Gesamtdetektorbandbreite zu erzielen.
Dadurch, dass die erste Stufe eine geringere Transimpedanz als das Produkt der ersten und zweiten Stufen aufweist, ist der Stromkreis insbesondere auch kompatibel mit großen Fotodetektor-Kapazitäten, unter Beibehaltung einer ausreichend großen Signalbandbreite. Er kann somit auch bei hohen Eingangsströmen verwendet werden, ohne den Transimpedanzverstärker zu sättigen.
Zweckmäßigerweise kann Transimpedanzverstärker einen differentiellen Eingang aufweisen, wobei ein Kondensator oder eine verblindete Fotodiode parallel zur Fotodiode zur Blockadeerkennung angeordnet ist. Die Kapazitätseigenschaften des Kondensators oder der verblindeten Fotodiode sollten dabei zumindest im Wesentlichen den Kapazitätseigenschaften der jeweiligen Fotodiode entsprechen. Dadurch wird erreicht, dass der Einfluss des Signalrauschens der Fotodiodenversorgung unterdrückt oder vermindert werden kann, d. h. die Anordnung reagiert unempfindlich auf das Rauschen der Fotodiodenversorgung.
In vorteilhafter Weise kann ein Transistor am Eingang des Transimpedanzverstärkers vorgesehen sein, über den der Eingang des Transimpedanzverstärkers gegen Masse leitfähig wird, wenn ein gewisser bzw. festlegbarer Signalpegel (Threshold oder Grenzwert) am Ausgang des Verstärkers überschritten wird. Hierdurch wird der maximale Eingangsstrom in die Verstärkerschaltung begrenzt.
Vorzugsweise umfasst die erste Stufe einen ersten und einen zweiten Signalrückkopplungspfad, die parallel zueinander angeordnet sind, wobei der zweite Signalrückkopplungspfad derart konfiguriert ist, dass dieser aktiviert wird, wenn die Diodenschwelle der Fotodiode überschritten wird. Dadurch kann die Transimpedanz verringert werden, sobald die Diodenschwelle bzw. Diodendurchlassschwelle überschritten wird.
Beispielsweise kann eine derartige Konfiguration erfolgen, indem der Widerstand des zweiten Signalrückkopplungspfads geringer ist als der Widerstand des ersten Signalrückkopplungspfads. Zudem sollte der zweite Signalrückkopplungspfad eine Diode und/oder einen Transistor und/oder ein anderes aus dem Stand der Technik bekanntes Schaltventil umfassen. Die Diodenschwelle bzw. die Schaltung des Transistors kann dabei derart konfiguriert werden, dass diese Schalten sobald die Diodenschwelle erreicht oder überschritten wird.
Zweckmäßigerweise kann als Vorrichtung zur Lichtdetektion ein Focal-Plane Array (FPA) vorgesehen sein. Bei einem Focal-Plane Array handelt es sich um eine Bildsensorvorrichtung, die z. B. eine Anordnung von lichtempfindlichen Pixeln in einer Brennebene einer Linse umfasst. Derartige Anordnungen werden in der Regel für bildgebende Zwecke (z. B. für die Aufnahme von (Video-) Bildern) oder nicht bildgebende Zwecke (z. B. Lidar) eingesetzt.
Vorzugsweise ist die Empfängeranordnung derart hergerichtet, dass eine Sensor-Blockade erfasst werden kann, wenn sich der Auslöser der Blockade am optischen Element und/oder am Lidom und/oder an der Frontscheibe des Fahrzeuges befindet.
Neben- oder untergeordnet beansprucht die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Blockadeerkennung einer Sensoreinrichtung zur Umfelderkennung, bei dem eine Sensoreinrichtung zur Umfelderkennung vorgesehen ist, die eine insbesondere erfindungsgemäße Empfängeranordnung aufweist. Die Empfängeranordnung umfasst dabei ein optisches Element durch dessen optischen Eigenschaften ein beleuchteter Bereich im Empfänger festgelegt wird. Ferner kann über eine innerhalb des beleuchteten Bereichs angeordnete Vorrichtung zur Lichtdetektion Licht aus einer Lichtquelle zur Umfelderkennung erfasst werden. Eine Sensor-Blockade wird dabei erkannt, indem eine außerhalb des beleuchteten Bereichs angeordnete Fotodiode das Licht erfasst, das durch die Sensor-Blockade außerhalb des beleuchteten Bereichs gestreut wurde. Erfindungsgemäß ist der Fotodiode bzw. auch jeder der Fotodioden eine Auswerteschaltung zur Lichterfassung nachgeschaltet, die einen Transimpedanzverstärker umfasst.
Ferner wird eine Sensoreinrichtung zur Umfelderkennung beansprucht, insbesondere Lidarsensoreinrichtung bzw. HFL-Sensoreinrichtung, umfassend eine Sendeanordnung zum Senden elektromagnetischer Strahlen, insbesondere Lichtstrahlen, welche an im Umfeld der Sensoreinrichtung befindlichen Objekten reflektiert werden, und eine Empfängeranordnung, welche die reflektierten Strahlen empfängt, wobei die Umfelderkennung anhand der empfangenen (Licht-)Strahlen erfolgt. Hierbei ist eine Blockadeerkennung der Empfängeranordnung vorgesehen, um die Funktion der Sensoreinrichtung sicherzustellen, wobei die Sensoreinrichtung eine erfindungsgemäße Empfängeranordnung umfasst und/oder die Blockadeerkennung anhand des erfindungsgemäßen Verfahrens durchführt.
Zudem umfasst die vorliegende Erfindung ein Fahrzeug, welches eine Umfelderkennung aufweist und dadurch gekennzeichnet ist, dass zur Umfelderkennung eine erfindungsgemäße Sensoreinrichtung bzw. ein erfindungsgemäßes Verfahren vorgesehen ist.
Ausdrücklich umfasst sind von der Erfindung auch nicht explizit genannte Merkmalskombinationen der Merkmale bzw. Ansprüche, sogenannte Unterkombinationen.
Figurenliste
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von zweckmäßigen Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Es zeigen:

1 eine vereinfachte schematische Darstellung eines Fahrzeuges, bei dem eine Prädiktion einer maximalen Stellgröße anhand des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt;
2 eine vereinfachte schematische Darstellung einer Lidar-Empfängeranordnung, bei der sich Partikel auf dem Lidom befinden, sodass Lichtstreuungen entstehen;
3 eine vereinfachte schematische Darstellung einer Signalkette für zwei Fotodioden, die an verschiedenen Stellen neben dem Focal-Plane Array angeordnet sind;
4 eine vereinfachte Darstellung einer Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen zweistufigen Schaltungsanordnung eines Transimpedanzverstärkers mit einseitig endender Fotodiodeneingabe;
5 eine vereinfachte schematische Darstellung einer Signalkette mit zwei Fotodioden, bei der das Rauschen der Fotodiodenversorgung durch einen differentiellen Eingang des Transimpedanzverstärkers unterdrückt wird;
6 eine vereinfachte Darstellung einer weiteren Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen zweistufigen Schaltungsanordnung, bei der ein differentieller Eingang des Transimpedanzverstärkers vorgesehen ist;
7 eine vereinfachte Darstellung einer Ausgestaltung einer Schaltungsanordnung zur Vermeidung der Transimpedanzverstärker-Sättigung bei starken Signalintensitäten (Eingangsstrom);
8 eine vereinfachte Darstellung einer weiteren Ausgestaltung einer Schaltungsanordnung zur Vermeidung der Transimpedanzverstärker-Sättigung bei starken Signalintensitäten (Eingangsstrom);
9 eine vereinfachte Darstellung einer weiteren Ausgestaltung einer Schaltungsanordnung zur Vermeidung der Transimpedanzverstärker-Sättigung bei starken Signalintensitäten (Eingangsstrom);
10 eine stark vereinfachte Darstellung einer Transferkurve einer erfindungsgemäßen Empfängeranordnung, welche die Effektivität der dynamischen Bereichsverbesserung zeigt, sowie
11 eine Darstellung einer simulierten Transferkurve, welche die Effektivität der dynamischen Bereichsverbesserung zeigt.

Bezugsziffer 1 in 1 bezeichnet ein Fahrzeug mit einer Steuereinrichtung 2 (ECU, Electronic Control Unit oder ADCU, Assisted and Automated Driving Control Unit) aufweist, durch die eine Sensorsteuerung, Sensordatenfusion, Umfeld- und/oder Objekterkennung, Trajektorienplanung und/oder Fahrzeugsteuerung erfolgen kann. Zur Fahrzeugsteuerung kann die Steuereinrichtung 2 auf verschiedenen Aktoren (Lenkung 3, Motor 4, Bremse 5) zugreifen. Ferner weist das Fahrzeug 1 eine Lidarsensoreinrichtung 6 sowie optional weitere Sensoren zur Umfelderfassung auf (Kamera 7, Radarsensoreinrichtung 8 sowie Ultraschallsensoren 9a-9d). In vorteilhafter Weise können die Sensordaten zur Umfeld- und Objekterkennung genutzt werden, sodass verschiedene Assistenzfunktionen, wie z. B. Notbremsassistent (EBA, Emergency Brake Assist), Abstandsfolgeregelung (ACC, Automatic Cruise Control), Spurhalteregelung bzw. ein Spurhalteassistent (LKA, Lane Keep Assist) oder dergleichen, realisiert werden können. Ferner kann die Ausführung der Assistenzfunktionen ebenfalls über die Steuereinrichtung 2 oder eine andere, dafür vorgesehene Steuereinheit erfolgen.
In 2 ist ein Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Empfängeranordnung 10 der Lidarsensoreinrichtung 7 dargestellt. Die Empfängeranordnung 10 umfasst als Vorrichtung zur Lichtdetektion ein FPA (Focal-Plane Array) 11, d. h. eine Anordnung von lichtempfindlichen Fotodioden bzw. Pixeln, sowie zwei bzw. mehrere Fotodioden 12a, 12b zur Sensor-Blockadeerkennung bzw. Blockadedetektion, die auf einem Träger 13 angeordnet sind. Das FPA 11 ist in der Brennebene des optisches Elements 14 angeordnet ist, d. h. sich im beleuchteten Bereich befindet. Die Lichtdetektion über das FPA 12 wird dabei z. B. genutzt, um vom Sender gesendete Lichtsignale zu empfangen, die an Objekten in der Umgebung reflektiert wurden, um damit die Objektdetektion bzw. Entfernungsmessung durchzuführen. Die Lichtstrahlen sind in 2 anhand von Pfeilen vereinfacht dargestellt, wobei das durch das optische Element 14 fokussierte Licht (mit lang gestrichelten Strichen dargestellt) den beleuchteten Bereich aufspannt, innerhalb dem das FPA 12 angeordnet ist.
Zweckmäßigerweise werden die Fotodioden 12a, 12b zur Blockadeerkennung innerhalb des Empfängers derart angeordnet, dass Licht in einem Bereich detektiert wird, der eigentlich nicht beleuchtet ist - d. h. nicht durch die Lichtquelle beleuchtet wird bzw. sich nicht mehr in der Brennebene des optisches Elements 14 aber immer noch im Erfassungsbereich der verwendeten Empfangsoptiken bzw. des optischen Elements 14 zur Lichtfokussierung befindet. Zudem sollten die Fotodioden 12a, 12b nicht zu weit von der beleuchteten Region entfernt angeordnet werden, sodass die Empfindlichkeit nicht beeinträchtig wird. Als eigentliche Lichtquelle dient in der Regel der Sender der Sensoreinrichtung bzw. dessen Lichtquelle oder Laser, wobei dieses durch den Sender ausgesendete Licht und an Objekten in der Umgebung reflektiert wird, sodass diese eine Lichtquelle darstellen, deren ausgestrahltes Licht vom Empfänger detektiert wird.
Ferner ist ein Lidom 15 vorgesehen, welches gemäß 2 durch Partikel 16a, 16b verunreinigt ist, so dass das eintreffende Licht an diesen gestreut wird. Das an den Partikel 16a 16b gestreute Licht führt zu einer Rückreflektion, wobei Lichtstrahlen unfokussiert durch das optische Element 14 geleitet werden, sodass durch das zerstreute Licht ein größerer Teil der Bildebene beleuchtet wird, welches dann durch die Fotodioden 12a, 12b erfasst bzw. detektiert werden kann. Die Partikel 16a, 16b bewirken somit eine Soft-Blockade des Empfängers bzw. der Sensoreinrichtung. Anstelle des Lidoms 15 kann auch ein anderes abdeckendes Element vorgesehen sein, wie z. B. die Frontscheibe des Fahrzeuges 1 oder das optische Element 14.
Somit kann durch die Anordnung der Fotodioden 12a, 12b das gestreute Licht erkannt werden, da das Licht in dem eigentlich blinden Bereich neben dem FPA 11 gestreut und von den Fotodioden 12a, 12b erfasst wird. Dadurch wird bestimmt, ob die Empfangsoptik bzw. das Lidom 15 des Lidarsensors z. B. durch Schmutzpartikel (Partikel 16a, 16b) oder Regentropfen bedeckt bzw. blockiert (Soft-Blockade oder Soft blockage) ist, d. h. eine derartige Blockierung oder Verschmutzung wird aufgrund des detektierten Streulichts erkannt. Im Umkehrschluss: sofern die Fotodioden 12a, 12b zumindest im Wesentlichen kein Licht detektieren, liegt keine Verschmutzung bzw. Blockade des Lidoms 15 vor. Hierzu kann ein bestimmter Grenzwert bzw. Threshold für die von den Fotodioden 12a, 12b erfasste Lichteinstrahlung vorgesehen sein, ab dessen Überschreiten von einer (Soft-) Blockade auszugehen ist.
In vorteilhafter Weise ist für das Auswerten bzw. Auslesen der Fotodioden 12a, 12b eine TIA-Architektur bzw. eine TIA-Schaltungsanordnungen vorgesehen, bei der z. B. eine Transimpedanz (Widerstand) in einem rückgekoppelten Operationsverstärker (op-amp bzw. opamp-Rückkopplungsschaltung) angewendet wird (TIA bzw. Transimpedanzverstärker 17), wie schematisch in 3 anhand einer Signalkette für zwei Fotodioden 12a, 12b gezeigt. Die Fotodioden 12a, 12b sind dabei auf einer Keramik-Baugruppe 18 angeordnet, die zudem eine integrierte Auswerte- bzw. Ausleseschaltung ROIC 19 (Read Out Integrated Circuit) aufweist, welche die nachgeschalteten TIA 17a, 17b, Sampler 20a, 20b sowie die Standard-Signalkette 21 umfasst. Die Fotodioden 12a, 12b können mit den nachgeschalteten TIAs 17a, 17b z. B. mittels Drahtbonden über Bondinseln bzw. Bondpads 22 und Bonddraht bzw. Bondwire 23 verbunden sein. Der 20a, bzw. 20b Sampler und die folgende Signalkette 21 können mit den regulären Pixeln auf der ROIC (Read Out Integrated Circuit - integrierte Ausleseschaltung) identisch sein. Aufgrund der Eigenschaften einer derartigen TIA-Architektur kann es bei der Blockade-Erkennung jedoch zu nachteiligen Effekten kommen. Beispielsweise bestehen aufgrund der benötigten großen Fotodiodenkapazität nur eine begrenzte Bandbreite und Transimpedanz und das System reagiert anfällig auf das Rauschen der Fotodiodenversorgung. Zudem besteht durch das Ausschneiden der Signalströme bzw. das Clipping des Transimpedanzverstärkers 17 nur ein begrenzter Dynamikbereich für große Eingangsströme.
In 4 zeigt eine Schaltungsanordnung mit einem Transimpedanzverstärker 17, der in zwei Stufen mit zwei Operationsverstärkern (A_1, A₂) aufgeteilt ist, um das Problem der begrenzt möglichen Transimpedanz zu lösen. Die erste Stufe umfasst einen regulären Transimpedanzverstärker mit vergleichsweise niedriger Transimpedanz (d. h. auch niedriger Verstärkung) und damit vergleichsweise hoher Bandbreite. Die zweite Stufe umfasst im Wesentlichen einen Spannungsverstärker bzw. eine Spannungsverstärkerschaltung, welche die effektive Transimpedanz des Detektors erhöht. Dadurch wird eine ausreichende Verstärkung der geringen Stromeingangssignale der Fotodiode (dargestellt anhand eines Fotodiodenschaltkreises mit Kapazität C_D auf der Keramik-Baugruppe 18 und vorangeschalteter Fotodiodenversorgung, welche die Diodenspannung V_Diode liefert auf einer PCB), ohne Beeinträchtigung der Bandbreite des Detektors, d. h. die Zwei-Stufen-Konfiguration ist notwendig, um die Transimpedanz RF der ersten Stufe zu begrenzen und damit eine ausreichende Bandbreite zu behalten.
Der Transimpedanzverstärker 17 kann zudem einen differentiellen Eingang gemäß 5, um das Rauschen der Fotodiodenversorgung 25 bzw. dessen Einfluss zu verringern. Hierzu wird ein Kondensator 24a bzw. 24b mit ähnlichen Kapazitätseigenschaften wie die Fotodiode 12a bzw. 12b parallel zur aktiven Fotodiode angeordnet. Zudem ist in 6 ist eine derartige Schaltungsanordnung für die Fotodiode 12a dargestellt. Das Rauschen an der Fotodiodenversorgung 25 ist dabei wechselspannungsähnlich zu beiden Eingängen des Transimpedanzverstärkers 17 gekoppelt und unterdrückt, da es sich um ein Gleichtaktsignal (Common Mode Signal) handelt, d. h. das Rauschen wird als Gleichtaktsignal am Eingang des Transimpedanzverstärkers 17 sichtbar und ausgeblendet. Alternativ zum Kondensator kann auch eine verblindete Fotodiode eingesetzt werden. Diese bietet eine höhere Ähnlichkeit zwischen den Kapazitäten von Fotodiode 12a und verblindeter Fotodiode und ermöglicht eine noch bessere Rausch-Unterdrückung. Um dabei einen möglichst hohen dynamischen Bereich festzulegen, können zur Verringerung der Transimpedanz bei großen Eingangsströmen mehrere Mechanismen implementiert werden (allein oder in Kombination), wie z. B. die Ableitung von übermäßigem Strom am Transimpedanzverstärker-Eingang, wenn große Signalschwingungen auftreten bzw. erkannt werden (z. B. mittels Transistor M₁ gemäß 7: Wenn die Ausgangsspannung Vout um mehr als eine Transistorschwelle niedrig ist, wird der Strom über M₁ an GND am Transimpedanzverstärker-Eingang abgeführt) oder die Verringerung der Transimpedanz durch Aktivierung eines parallelen Signalrückkopplungspfads sobald die Diodenschwelle überschritten wird, beispielsweise gemäß 8 umfassend einen Widerstand R₂, eine Diode D₂ und einen zum Widerstand parallel geschalteten Kondensator C₂ oder gemäß 9 mit einem Transistor M₃ im Trioden-Bereich anstelle der Diode D₂ (diese Lösung funktioniert bereits bei einer Amplitude unter einer Transistorschwelle). Gemäß 8 ist vorgesehen, dass sich D₂ öffnet und parallel zum Standard-Pfad R_T/C_T ein paralleler Transimpedanz-Pfad aktiviert wird, wenn die Amplitude von Vout größer als eine Diodenschwelle ist. Dabei muss R₂ im Vergleich zu R_T schwach-ohmig sein, um die Transimpedanz zu reduzieren. Durch die Anordnung der Kapazität C₂ parallel zu R₂ wird das gleiche Frequenzverhalten im Vergleich zum Standard-Pfad R_T/C_T erreicht. Anstelle einer echten Diode kann auch der Dioden-verbundene Transistor M₃ gemäß 9 verwendet werden. Beispielsweise wird dabei anstelle einer Diode z. B. ein NMOS-Transistor (n-type metal-oxide semiconductor bzw. n-Kanal-Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor) verwendet. Dabei wird der parallele Pfad mit niedrigerem Widerstand bereits bei Signalschwingungen von Vout unterhalb der Transistorschwelle aktiv. In vorteilhafter Weise ist eine derartige Schaltungsanordnung in besonderem Maße robuster gegen Temperatur- oder Prozess-bedingten Schwankungen der Schwellenspannung, indem die Bias-Spannung V_nres mit der Temperatur und Prozessvariation getrackt wird. In 9 ist oben rechts eine Ausgestaltung einer derartigen Bias-Schaltung dargestellt. Alternativ sind aber auch andere Implementierungen denkbar, wie z. B. das Einsenken eines konstanten Stroms in eine NMOS-Diode.
In 10 ist die Ausgangsspannung im Vergleich zum Eingangsstrom einer erfindungsgemäßen Empfängeranordnung 10 (Transferkurve) vereinfacht dargestellt (z. B. für R_T = 20 kΩ), indem die Ausgangsspannung Vout gegen den Eingangsstrom I_in aufgetragen ist. Bei dieser idealisierten Transferkurve ist die Transimpedanz bis zu einem bestimmten Niveau konstant (in 10 bis zu einem Eingangsstrom 20 µA). Ab diesem Punkt wird diese reduziert bzw. weist einen geringeren Anstieg auf. Bei einer Eingangsstromstufe von 1 mA wird der übermäßige Strom dann durch den in 7 dargestellten Stromkreis auf Masse bzw. Ground geführt. Die Ausgangsspannung Vout kann somit über diesen Punkt hinaus nicht ansteigen. Ferner ist in 11 eine simulierte Ausgangsspannungsamplitude von Vout gegen die Eingangsstromamplitude von I_in für einen 3 ns breiten Laserpuls dargestellt, um die Effektivität der dynamischen Bereichsverbesserung aufzuzeigen.
Bezugszeichenliste

1: Fahrzeug
2: Steuereinrichtung
3: Lenkung
4: Motor
5: Bremse
6: Lidarsensoreinrichtung
7: Kamera
8: Radarsensoreinrichtung
9a-9d: Ultraschallsensoren
10: Empfängeranordnung
11: FPA (Focal-Plane Array)
12a: Fotodiode
12b: Fotodiode
13: Träger
14: optisches Element
15: Lidom
16a: Partikel
16b: Partikel
17: Transimpedanzverstärker (TIA)
17a: Transimpedanzverstärker
17b: Transimpedanzverstärker
18: Keramik-Baugruppe
19: ROIC
20a: Sampler
20b: Sampler
21: Standard-Signalkette
22: Bondpad
23: Bondwire
24a: Kondensator
24b: Kondensator
25: Fotodiodenversorgung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 202019103619 U1 [0005]

Claims

Empfängeranordnung (10) für eine Sensoreinrichtung zur Umfelderkennung, umfassend ein optisches Element (14), welches einen beleuchteten Bereich festlegt, eine Vorrichtung zur Lichtdetektion, welche im beleuchteten Bereich angeordnet ist und das Licht einer Lichtquelle zur Umfelderkennung erfasst, mindestens eine Fotodiode (12a, 12b) zur Sensor-Blockadeerkennung, welche außerhalb des beleuchteten Bereichs angeordnet ist, und eine Sensor-Blockade erkannt wird, indem die Fotodiode (12a, 12b) Licht erfasst, welches durch die Sensor-Blockade außerhalb des beleuchteten Bereichs gestreut wurde, wobei der Fotodiode (12a, 12b) eine Auswerteschaltung nachgeschaltet ist, die einen Transimpedanzverstärker (17) umfasst.
Empfängeranordnung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Transimpedanzverstärker (17) eine erste Stufe (18a) und eine zweite Stufe (19) aufweist.
Empfängeranordnung (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Stufe (18a) eine geringere Transimpedanz als ein Produkt der beiden Stufen (18a, 18b) aufweist.
Empfängeranordnung (10) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Transimpedanzverstärker (17) einen differentiellen Eingang aufweist, indem ein Kondensator (C_D) oder eine verblindete Fotodiode parallel zur Fotodiode (12a, 12b) angeordnet ist, wobei die Kapazitätseigenschaften des Kondensators (C_D) oder der verblindeten Fotodiode zumindest im Wesentlichen den Kapazitätseigenschaften der jeweiligen Fotodiode (12a, 12b) entsprechen.
Empfängeranordnung (10) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Transistor (M₁) am Eingang des Transimpedanzverstärkers (17) vorgesehen ist, über den der Eingang des Transimpedanzverstärkers (17) bei Überschreiten eines festlegbaren Signalpegels am Ausgang des Verstärkers (17) gegen Masse geschaltet werden kann, um den Eingangsstrom zu begrenzen.
Empfängeranordnung (10) nach einem der Ansprüche 2-5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Stufe (18a) einen ersten und einen zweiten Signalrückkopplungspfad umfasst, die parallel angeordnet sind, und der zweite Signalrückkopplungspfad derart konfiguriert ist, dass dieser aktiviert wird, wenn die Diodenschwelle der Fotodiode (12a, 12b) überschritten wird.
Empfängeranordnung (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstand (R₂) des zweiten Signalrückkopplungspfads geringer ist als der Widerstand (R_T) des ersten Signalrückkopplungspfads.
Empfängeranordnung (10) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Signalrückkopplungspfad eine Diode (D₂) oder einen Transistor (M₃) umfasst.
Empfängeranordnung (10) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Vorrichtung zur Lichtdetektion ein Focal-Plane Array (12) vorgesehen ist.
Empfängeranordnung (10) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Sensor-Blockade auslösenden Elemente am optischen Element (14) und/oder am Lidom (15) und/oder an der Frontscheibe des Fahrzeuges (1) befinden können.
Verfahren zur Blockadeerkennung einer Sensoreinrichtung zur Umfelderkennung, bei dem eine Sensoreinrichtung zur Umfelderkennung vorgesehen ist, die eine Empfängeranordnung (10) aufweist, umfassend durch ein optisches Element (14) ein beleuchteter Bereich festgelegt wird, im beleuchteten Bereich eine Vorrichtung zur Lichtdetektion angeordnet ist, die das Licht einer Lichtquelle zur Umfelderkennung erfasst, wobei eine Sensor-Blockade erkannt wird, indem eine außerhalb des beleuchteten Bereichs angeordnete Fotodiode (12a, 12b) Licht erfasst, das durch die Sensor-Blockade außerhalb des beleuchteten Bereichs gestreut wurde, wobei der Fotodiode (12a, 12b) eine Auswerteschaltung zur Lichterfassung nachgeschaltet ist, die einen Transimpedanzverstärker (17) umfasst.
Sensoreinrichtung zur Umfelderkennung, insbesondere Lidarsensoreinrichtung (6), umfassend eine Sendeanordnung zum Senden elektromagnetischer Strahlen, insbesondere Lichtstrahlen, welche an im Umfeld der Sensoreinrichtung befindlichen Objekten reflektiert werden, und eine Empfängeranordnung (10), welche die reflektierten Strahlen empfängt, wobei die Umfelderkennung anhand der empfangenen Strahlen erfolgt, und eine Blockadeerkennung der Empfängeranordnung (10) vorgesehen ist, um die Funktion der Sensoreinrichtung sicherzustellen, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung eine Empfängeranordnung (10) nach mindestens einem der Ansprüche 1-10 umfasst und/oder die Blockadeerkennung anhand eines Verfahrens nach Anspruch 11 erfolgt.
Fahrzeug (1), welches eine Umfelderkennung umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass zur Umfelderkennung eine Sensoreinrichtung nach Anspruch 12 vorgesehen ist.