Layout des Treiberschaltkreises für gepulste Laserdioden für Lidar

Als Teil des Sensorsystems für autonome Fahrzeuge spielen Lidar-Entfernungskarten eine wichtige Rolle bei der Objektidentifikation in der umgebenden Umgebung, neben Autowellenradar und anderen Sensoren oder Bildgebungssystemen. Der Aufbau eines funktionsfähigen Treiberschaltkreises mit kleinem Formfaktor und schlanker Verpackung ist entscheidend, um Lidar-Bildgebung/Entfernungsmessung rund um ein selbstfahrendes Fahrzeug zu ermöglichen.

Die gleichen Schaltkreise können auch für andere Lidar-Anwendungen angepasst werden, wie atmosphärische Überwachung, Verfolgung von Schadstofffahnen, Turbulenzmessungen in Flugzeugen und andere präzise Messungen. Die primären Faktoren, die die Nützlichkeit Ihres speziellen Lidar-Systems bestimmen, sind die Leistungsabgabe, die Pulszeit und die Wiederholrate. Wenn Sie den richtigen Treiberschaltkreis entwerfen oder Ihre Diode richtig an einen Treiber-IC anpassen, können Sie sicherstellen, dass Ihr Lidar-System mit hoher Auflösung und Reichweite arbeitet.

Das Treiben einer gepulsten Laserdiode - Die Sendeseite

Pulslaserdioden werden mit Hochspannung und niedrigem Tastverhältnis PWM-Impulsen (üblicherweise ~1% Tastverhältnis bei Hunderten von kHz) betrieben, um Impulsbreiten von 100 ns oder schneller zu erreichen. Das Betreiben einer Pulslaserdiode mit einer kleineren Anstiegszeit ermöglicht höher aufgelöste Bilder und erlaubt eine schnellere Scanrate. Die kurzen Anstiegszeiten, die in Treiber-ICs und in kundenspezifischen Schaltungen erforderlich sind, erfordern den Einsatz von GaAs-Bauelementen für längere Impulse, während GaN die beste Wahl für kürzere Impulse ist.

Wenn Sie Ihre eigene Treiberschaltung entwerfen, sind die kritischen Komponenten der FET-Treiber und die Übertragungsverstärkerstufen. Das Signal zum Antrieb der Pulslaserdiode wird zunächst mit einem FET-Treiber verstärkt, der dann einen Hochstrom-FET-Transimpedanzverstärker mit hoher Verstärkung einschaltet, um den erforderlichen Antriebsstrom zu liefern. Ein Blockdiagramm dieser Schaltung ist unten dargestellt.

Blockdiagramm des Pulslaserdioden-Treibers

Diese Schaltung ist als Strommodus-Pulstreiber-Schaltung konzipiert. Denken Sie daran, dass stromgesteuerte Geräte wie LEDs oder Laserdioden oberhalb ihrer Nenn-Vorwärtsspannung eine geringe Impedanz aufweisen; die Treiberschaltung fungiert als Stromquelle, die ihre gesamte Leistung über eine Last mit geringer Impedanz abgeben muss. Da es sich im Grunde um einen pulsierenden Leistungsverstärker handelt, müssen Sie sicherstellen, dass die über die Laserdiode abfallende Spannung die Compliance-Spannung nicht überschreitet.

Unabhängig davon, wie Sie Ihre gepulste Laserdiode betreiben, müssen Sie sicherstellen, dass das Jitter im Ausgang sehr gering ist. Dies ist kritisch, denn wenn Sie mit Signalen arbeiten, die sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegen, entspricht ein Jitter von 1 ns einem Entfernungsfehler von 30 cm. Sie müssen dieses Jitter um einen Faktor ~10 reduzieren, um genaue Entfernungsmessungen zu gewährleisten. Die Reduzierung von Jitter konzentriert sich typischerweise auf drei Bereiche: Leistung, Impedanz und Parasitäre.

Niederinduktive Strompfade

Ein vereinfachtes Beispiel eines kapazitiven gepulsten Stromtreibers mit einem einzelnen MOSFET-Schaltelement wird unten gezeigt. In dieser Topologie sollte der FET so gewählt werden, dass er mit Logikpegeln geschaltet werden kann, jedoch sollte er möglichst minimale Parasiten aufweisen, um eine Verzerrung des gewünschten Pulses zu verhindern. Eine stabile Stromversorgung bei der erforderlichen Pulsanstiegszeit und -form hängt davon ab, die Impedanz im gesamten PDN/Signalweg bis zur Laserdiode (unten als "LD" markiert) niedrig zu halten.

Obwohl diese Topologie sehr grundlegend erscheinen mag, sind die Auswahl der Komponenten und das Layout die Hauptherausforderungen. Alle Komponenten müssen sorgfältig ausgewählt werden, da Parasiten in den Komponenten und im Layout sich kombinieren, um die Pulsform zu bestimmen, sowie Probleme wie Ringing oder übermäßiges Rauschen. Dies umfasst die Induktivität an allen Komponentenanschlüssen, den PCB-Leiterbahnen und -Ebenen. Häufiger ist es, den FET durch einen Verstärker zu ersetzen; stellen Sie sicher, dass die Rückkopplungsschleife des Verstärkers minimale Induktivität aufweist, um Ringing zu verhindern, andernfalls könnten Sie dies überlagert auf dem Lichtausgang der Laserdiode sehen.

Brauchen Sie Impedanzanpassung?

Diese Frage bezieht sich auf Jitter und das Verhalten einer Laserdiode als nichtlineare Lastkomponente. Wenn Sie mit nichtlinearen Signalpfaden vertraut sind, tritt die maximale Leistungsübertragung zwischen einem Leistungsverstärker (der nahe der Sättigung betrieben wird) und einer nichtlinearen Last typischerweise auf, wenn eine leichte Impedanzfehlanpassung vorliegt. Die genaue Menge der Impedanzfehlanpassung wird mit einer Technik bestimmt, die als Lastzuganalyse bezeichnet wird.

Um die perfekte Menge an Impedanzanpassung zu erreichen, müssten Sie in Reihe mit der Laserdiode einen Impedanzanpassungskreis entwerfen. Leider kann dies neue parasitäre Induktivitäten hinzufügen, die das Potenzial für eine unterdämpfte Schwingung im Verstärkerkreis schaffen. Stattdessen kümmern wir uns nur um die Lieferung von Strom bei niedriger Impedanz, indem wir das PDN entsprechend entwerfen und einen Verstärker/FET auswählen, der die erforderliche niedrige Ausgangsimpedanz bietet, anstatt zu versuchen, die Eingangsimpedanz auf einen anderen Wert zu transformieren.

Die Empfangsseite

Auf der Empfangsseite wird der reflektierte/zerstreute Lidar-Puls mit einem Photodioden-Array oder einem anderen Detektor empfangen, und das empfangene Signal wird für eine Laufzeitmessung verwendet, die leicht mit Zeit-zu-Digital-Wandler-ICs durchgeführt werden kann. Anschließend wird das empfangene Signal bei jedem Emissionswinkel an einen ADC gesendet und verwendet, um eine Tiefenkarte aus den Laufzeitmessungen zu erstellen. Auf der Empfängerseite wird eine Laufzeitmessung auf zwei Arten durchgeführt:

1. Durch Anwenden einer Niederfrequenzmodulation auf den Treiber und Messen des Phasenunterschieds zwischen gesendetem und empfangenem moduliertem Pulsstrom
2. Durch direktes Messen der Zeit zwischen dem Eintreffen der Pulse (üblicherweise mit ~100 ps Auflösung)

Da Jitter im Quadrat hinzugefügt wird, müssen Sie den Jitter vor den Verstärkungsstufen auf der Sende- und Empfangsseite entfernen. Puls-Laserdiodentreiber-ICs enthalten typischerweise einen fraktionalen PLL, der eine Referenzuhr umwandelt, um die Scanrate im System zu entsprechen. Dieses umgewandelte Uhrensignal wird dann auf der Empfangsseite für Laufzeitmessungen und für das Serialisieren von Ausgangsdaten aus dem ADC verwendet.

Gepulst vs. CW

Beachten Sie, dass wir uns hier auf das Layout des Treiberschaltkreises für gepulste Laserdioden konzentriert haben, aber ein kontinuierlicher Wellenlaser (CW-Laser) kann auch als gepulster Laser betrieben werden. Wenn Sie jedoch vorhaben, eine CW-Laserdiode als gepulste Laserdiode zu betreiben, sollten Sie eine Autokorrelationsmessung durchführen, um die Pulsdauer zu bestimmen, was ohne empfindliche optische Ausrüstung und eine feine mechanische Verzögerungsstufe schwierig ist. Modulierte CW-Laser haben eine geringere Ausgangsleistung und können in einer Laufzeitmessung schwerer zu erkennen sein. Deshalb lassen Sie sich keine hellen Ideen einfallen und bleiben Sie einfach bei Pulsen.

Temperaturkontrolle

Schließlich sind die Ausgangsleistung einer Laserdiode und die Empfindlichkeit des Detektors auf der Empfangsseite temperaturempfindlich. Im Allgemeinen nehmen sowohl die Effizienz einer Laserdiode als auch die Empfindlichkeit des Detektors bei höherer Temperatur ab. Ein Temperaturanstieg beider Komponenten ist während des Betriebs unvermeidlich, was eine kreative Strategie für das thermische Management erfordert. Dies könnte einen kleinen Kühlventilator umfassen, aber meiner Meinung nach ist eine bessere Wahl die Verwendung eines Wärmeleitfähigkeitskühlkörpers oder Substrats mit hoher thermischer Leitfähigkeit und zu versuchen, die Wärme an das Gehäuse abzuleiten, da dies weniger bewegliche Teile verwendet.

Nutzen Sie Ihre MCAD-Tools

Jedes optische System erfordert präzise mechanische Toleranzen, und gepulste Laserdioden für Lidar-Systeme sind keine Ausnahme. Lidar-Systeme für autonome Fahrzeuge müssen sich um das gesamte Fahrzeug drehen, um Tiefenbilder der gesamten Umgebung zu liefern. Andere Systeme können statisch bleiben, erfordern aber dennoch eine präzise Positionierung in Bezug auf alle anderen optischen Komponenten in diesen Systemen. Während der Layoutphase sollten Sie Ihre MCAD-Tools verwenden, um die präzise Positionierung auf der Platine und in Ihrem Gehäuse zu überprüfen.

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