Diseño del Circuito Controlador de Diodo Láser Pulsado para Lidar

Como parte del conjunto de sensores para vehículos autónomos, los mapas de rango lidar juegan un papel importante en la identificación de objetos en el entorno circundante, junto con el radar de automóviles y otros sensores o sistemas de imágenes. Construir un circuito conductor funcional con un factor de forma pequeño y un embalaje elegante es crítico para habilitar la imagen/rango de detección lidar alrededor de un vehículo autónomo.

Estos mismos circuitos pueden adaptarse a otras aplicaciones lidar, como el monitoreo atmosférico, el seguimiento de plumas de contaminación, las mediciones de turbulencia en aviones y otras mediciones precisas. Los factores primarios que determinan la utilidad de su sistema lidar particular son la salida de potencia, el tiempo de pulso y la tasa de repetición. Si diseñas el circuito conductor adecuado, o adaptas correctamente tu diodo a un IC conductor, puedes asegurar que tu sistema lidar operará con alta resolución y alcance.

Conduciendo un Diodo Láser Pulsado - El Lado de Transmisión

Los diodos láser pulsados se activan con pulsos PWM de alto voltaje y bajo ciclo de trabajo (generalmente ~1% de ciclo de trabajo a cientos de kHz) para alcanzar anchuras de pulso de 100 ns o más rápidas. Conducir un diodo láser pulsado con un tiempo de subida menor proporciona imágenes de mayor resolución y permite una tasa de escaneo más rápida. Los cortos tiempos de subida requeridos en los circuitos integrados de control y en circuitos personalizados requieren el uso de dispositivos GaAs para pulsos más largos, mientras que GaN es la mejor opción para pulsos más cortos.

Si estás diseñando tu propio circuito de control, los componentes críticos son las etapas de controlador FET y amplificador de transmisión. La señal para activar el diodo láser pulsado se amplifica inicialmente con un controlador FET, que luego activa un amplificador de transimpedancia FET de alta corriente con alta ganancia para entregar la corriente de conducción requerida. A continuación, se muestra un diagrama de bloques de este circuito.

Diagrama de bloques del circuito controlador de diodo láser pulsado

Este circuito está diseñado para ser un circuito controlador de pulsos en modo corriente. Recuerda, los dispositivos controlados por corriente como los LEDs o diodos láser tienen baja impedancia por encima de su voltaje nominal hacia adelante; el circuito controlador actúa como una fuente de corriente que necesita disipar toda su potencia sobre una carga de baja impedancia. Dado que esto es básicamente un amplificador de potencia pulsante, necesitas asegurarte de que el voltaje caído a través del diodo láser no exceda el voltaje de cumplimiento.

Independientemente de cómo elijas conducir tu diodo láser pulsado, necesitarás asegurarte de que el jitter en la salida sea muy bajo. Esto es crítico porque, cuando trabajas con señales que viajan a la velocidad de la luz, un jitter de 1 ns equivale a un error de distancia de 30 cm. Necesitarás reducir ese jitter por un factor de ~10 para asegurar mediciones de distancia precisas. La reducción del jitter típicamente se enfoca en tres áreas: potencia, impedancia y parásitos.

Caminos de Potencia de Baja Inductancia

Un ejemplo simplificado de un circuito de impulsos de corriente capacitiva con un único elemento de conmutación MOSFET se muestra a continuación. En esta topología, el FET debe ser elegido de tal manera que pueda ser conmutado con niveles lógicos, pero debe tener mínimas parasitarias donde sea posible para prevenir la distorsión del pulso deseado. La entrega de energía estable en el tiempo de subida del pulso requerido y la forma depende de mantener baja la impedancia a lo largo de la cadena de señal/PDN que conduce al diodo láser (marcado como "LD" abajo).

Aunque esta topología pueda parecer muy básica, la selección de componentes y el diseño son los principales desafíos. Todos los componentes deben ser cuidadosamente seleccionados ya que las parasitarias en los componentes y el diseño se combinarán para determinar la forma del pulso, así como problemas como el ringing o ruido excesivo. Esto incluye la inductancia en todos los terminales de los componentes, las pistas del PCB y los planos. Más común es reemplazar el FET con un amplificador; asegúrate de que el bucle de retroalimentación del amplificador tenga mínima inductancia para prevenir el ringing, de lo contrario, podrías ver esto superpuesto en la salida de luz del diodo láser.

¿Necesitas Adaptación de Impedancia?

Esta pregunta se relaciona con el jitter y el comportamiento de un diodo láser como un componente de carga no lineal. Si estás familiarizado con las cadenas de señales no lineales, la transferencia de potencia máxima entre un amplificador de potencia (funcionando cerca de la saturación) y una carga no lineal típicamente ocurre cuando hay un ligero desajuste de impedancia. La cantidad exacta de desajuste de impedancia se determina utilizando una técnica llamada análisis de extracción de carga.

Para llegar a la cantidad perfecta de coincidencia de impedancia, en serie con el diodo láser, necesitarías diseñar un circuito de adaptación de impedancia. Desafortunadamente, esto puede añadir nueva inductancia parásita que crea el potencial para una oscilación subamortiguada en el circuito del amplificador. En su lugar, solo nos preocupamos por la entrega de corriente de baja impedancia diseñando adecuadamente la PDN y seleccionando un amplificador/FET que proporcione la baja impedancia de salida requerida, en lugar de intentar transformar la impedancia de entrada a un valor diferente.

El Lado de Recepción

En el lado de recepción, el pulso de lidar reflejado/dispersado se recibe con un arreglo de fotodiodos u otro detector, y la señal recibida se utiliza para una medición de tiempo de vuelo, la cual puede realizarse fácilmente con circuitos integrados convertidores de tiempo a digital. Después, la señal recibida en cada ángulo de emisión se envía a un ADC y se utiliza para construir un mapa de profundidad a partir de las mediciones de tiempo de vuelo. En el lado receptor, una medición de tiempo de vuelo se realiza de dos maneras:

1. Aplicando modulación de baja frecuencia al controlador y midiendo la diferencia de fase entre las secuencias de pulsos modulados transmitidos y recibidos
2. Midiendo directamente el tiempo entre la llegada de pulsos (usualmente con una resolución de ~100 ps)

Debido a que el jitter se suma en cuadratura, necesitarás eliminar el jitter antes de las etapas de amplificación en los lados de transmisión y recepción. Los circuitos integrados controladores de diodos láser pulsados típicamente incluyen un PLL fraccional que convierte un reloj de referencia para coincidir con la tasa de escaneo en el sistema. Esta señal de reloj convertida se utiliza entonces en el lado de recepción para mediciones de tiempo de vuelo y para serializar los datos de salida del ADC.

Pulsado vs. CW

Tenga en cuenta que nos hemos centrado aquí en el diseño del circuito controlador de diodos láser pulsados, pero un láser de onda continua (CW) puede operarse como un láser pulsado. Sin embargo, si tiene la intención de conducir un diodo láser CW como un diodo láser pulsado, debería obtener una medición de autocorrelación para determinar el ancho del pulso, lo cual es difícil sin equipo óptico sensible y una etapa de retraso mecánico fino. Los láseres CW modulados tendrán una potencia de salida más baja y pueden ser más difíciles de detectar en una medición de tiempo de vuelo. Por lo tanto, no se haga ilusiones y simplemente manténgase con los pulsos.

Control de Temperatura

Finalmente, la potencia de salida de un diodo láser y la sensibilidad del detector en el lado de recepción son sensibles a la temperatura. En general, la eficiencia de un diodo láser y la sensibilidad del detector disminuyen a mayor temperatura. Un aumento de temperatura de ambos componentes es inevitable durante la operación, lo que requiere una estrategia creativa de gestión térmica. Esto podría incluir un pequeño ventilador de enfriamiento, pero en mi opinión, una mejor opción es usar un disipador de calor o sustrato de alta conductividad térmica e intentar disipar el calor hacia el recinto, ya que esto utiliza menos partes móviles.

Utilice Sus Herramientas MCAD

Cualquier sistema óptico lleva consigo tolerancias mecánicas precisas, y los diodos láser pulsados para sistemas lidar no son una excepción. Los sistemas lidar para vehículos autónomos necesitarán girar alrededor de la totalidad del vehículo para proporcionar imágenes de profundidad de todo el entorno circundante. Otros sistemas pueden permanecer estáticos, pero aún requieren un posicionamiento preciso con respecto a cualquier otro componente óptico en estos sistemas. Durante la fase de diseño, deberías usar tus herramientas MCAD para verificar el posicionamiento preciso en la placa y en tu carcasa.

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