Disposition du circuit de commande de diode laser pulsée pour Lidar

Dans le cadre de la suite de capteurs pour véhicules autonomes, les cartes de portée lidar jouent un rôle important dans l'identification d'objets dans l'environnement environnant, aux côtés du radar automobile et d'autres capteurs ou systèmes d'imagerie. Construire un circuit de commande fonctionnel avec un petit facteur de forme et un emballage élégant est crucial pour permettre l'imagerie/l'arpentage lidar autour d'un véhicule autonome.

Ces mêmes circuits peuvent être adaptés à d'autres applications lidar, telles que la surveillance atmosphérique, le suivi des panaches de pollution, les mesures de turbulence dans les avions et d'autres mesures précises. Les principaux facteurs qui déterminent l'utilité de votre système lidar particulier sont la puissance de sortie, le temps d'impulsion et le taux de répétition. Si vous concevez le bon circuit de commande, ou si vous adaptez correctement votre diode à un CI de commande, vous pouvez vous assurer que votre système lidar fonctionnera avec une haute résolution et portée.

Conduire une diode laser pulsée - Le côté émission

Les diodes laser pulsées sont alimentées par des impulsions PWM (modulation de largeur d'impulsion) de haute tension et de faible rapport cyclique (généralement ~1 % de rapport cyclique à des centaines de kHz) afin d'atteindre des largeurs d'impulsion de 100 ns ou plus rapides. Conduire une diode laser pulsée avec un temps de montée plus court fournit des images de plus haute résolution et permet un taux de balayage plus rapide. Les courts temps de montée requis dans les circuits intégrés de commande et dans les circuits personnalisés nécessitent l'utilisation de dispositifs GaAs pour les impulsions plus longues, tandis que le GaN est le meilleur choix pour les impulsions plus courtes.

Si vous concevez votre propre circuit de commande, les composants critiques sont les étages de l'amplificateur de transmission et du pilote FET. Le signal pour piloter la diode laser pulsée est initialement amplifié avec un pilote FET, qui active ensuite un amplificateur de transimpédance FET à courant élevé avec un gain élevé pour fournir le courant de commande requis. Un schéma de bloc de ce circuit est présenté ci-dessous.

Schéma de bloc du circuit de commande de diode laser pulsée

Ce circuit est conçu pour être un circuit de commande d'impulsions en mode courant. Rappelez-vous, les dispositifs commandés par courant comme les LED ou les diodes laser ont une faible impédance au-dessus de leur tension nominale directe ; le circuit de commande agit comme une source de courant qui doit dissiper toute sa puissance sur une charge à faible impédance. Puisque c'est essentiellement un amplificateur de puissance à impulsions, vous devez vous assurer que la tension chutée à travers la diode laser ne dépasse pas la tension de conformité.

Cependant, la manière dont vous choisissez de piloter votre diode laser pulsée, vous devrez vous assurer que le jitter dans la sortie est très faible. C'est crucial parce que, lorsque vous travaillez avec des signaux qui voyagent à la vitesse de la lumière, un jitter de 1 ns équivaut à une erreur de distance de 30 cm. Vous devrez réduire ce jitter d'un facteur ~10 pour garantir des mesures de distance précises. La réduction du jitter se concentre généralement dans trois domaines : l'alimentation, l'impédance et les parasites.

Chemins de puissance à faible inductance

Un exemple simplifié d'un circuit de commande de courant pulsé capacitif avec un seul élément de commutation MOSFET est présenté ci-dessous. Dans cette topologie, le FET doit être choisi de manière à pouvoir être commuté avec des niveaux logiques, mais il doit également présenter le minimum de parasitiques possible pour éviter la distorsion de l'impulsion souhaitée. Une livraison de puissance stable au temps de montée et à la forme d'impulsion requis dépend du maintien d'une faible impédance dans toute la chaîne PDN/signal menant à la diode laser (marquée "LD" ci-dessous).

Bien que cette topologie puisse sembler très basique, la sélection des composants et la disposition sont les principaux défis. Tous les composants doivent être soigneusement sélectionnés car les parasitiques dans les composants et la disposition se combineront pour déterminer la forme de l'impulsion, ainsi que des problèmes comme le ringing ou un bruit excessif. Cela inclut l'inductance sur toutes les broches des composants, les pistes du PCB et les plans. Il est plus courant de remplacer le FET par un amplificateur ; assurez-vous que la boucle de rétroaction de l'amplificateur présente une inductance minimale pour éviter le ringing, sinon vous pourriez voir cela superposé sur la sortie lumineuse de la diode laser.

Avez-vous besoin d'une adaptation d'impédance ?

Cette question concerne le jitter et le comportement d'une diode laser en tant que composant de charge non linéaire. Si vous êtes familier avec les chaînes de signaux non linéaires, le transfert de puissance maximal entre un amplificateur de puissance (fonctionnant près de la saturation) et une charge non linéaire se produira généralement lorsqu'il y a un léger désaccord d'impédance. La quantité exacte de désaccord d'impédance est déterminée en utilisant une technique appelée analyse de tirage de charge.

Pour atteindre la quantité parfaite d'adaptation d'impédance, en série avec la diode laser, vous auriez besoin de concevoir un circuit d'adaptation d'impédance. Malheureusement, cela peut ajouter une nouvelle inductance parasite qui crée le potentiel pour une oscillation sous-amortie dans le circuit de l'amplificateur. Au lieu de cela, nous nous préoccupons uniquement de la livraison de courant à faible impédance en concevant de manière appropriée le PDN et en sélectionnant un amplificateur/FET qui fournit l'impédance de sortie faible requise, plutôt que d'essayer de transformer l'impédance d'entrée en une valeur différente.

Le Côté Réception

Du côté de la réception, l'impulsion lidar réfléchie/dispersée est reçue avec un réseau de photodiodes ou autre détecteur, et le signal reçu est utilisé pour une mesure de temps de vol, qui peut facilement être réalisée avec des circuits intégrés convertisseurs de temps en numérique. Ensuite, le signal reçu à chaque angle d'émission est envoyé à un convertisseur analogique-numérique (ADC) et est utilisé pour construire une carte de profondeur à partir des mesures de temps de vol. Du côté du récepteur, une mesure de temps de vol est effectuée de deux manières :

1. En appliquant une modulation de basse fréquence au pilote et en mesurant la différence de phase entre les flux d'impulsions modulées émises et reçues
2. En mesurant directement le temps entre l'arrivée des impulsions (généralement avec une résolution de ~100 ps)

Comme le jitter s'ajoute en quadrature, vous devrez éliminer le jitter avant les étapes d'amplification sur les côtés d'émission et de réception. Les circuits intégrés de pilotes de diodes laser pulsées incluent typiquement un PLL fractionnaire qui convertit une horloge de référence pour correspondre au taux de balayage dans le système. Ce signal d'horloge converti est ensuite utilisé du côté de la réception pour les mesures de temps de vol et pour la sérialisation des données de sortie de l'ADC.

Pulsé vs. CW

Notez que nous nous sommes concentrés ici sur la disposition du circuit du pilote de diode laser pulsée, mais un laser à onde continue (CW) peut être utilisé comme un laser pulsé. Cependant, si vous avez l'intention de piloter une diode laser CW comme une diode laser pulsée, vous devriez réaliser une mesure d'autocorrélation pour déterminer la largeur de l'impulsion, ce qui est difficile sans équipement optique sensible et une scène de retard mécanique fine. Les lasers CW modulés auront une puissance de sortie inférieure et pourraient être plus difficiles à détecter dans une mesure de temps de vol. Donc, ne vous faites pas d'idées lumineuses et contentez-vous des impulsions.

Contrôle de la Température

Enfin, la puissance de sortie d'une diode laser et la sensibilité du détecteur du côté réception sont sensibles à la température. En général, l'efficacité d'une diode laser et la sensibilité du détecteur diminuent toutes deux à une température plus élevée. Une augmentation de la température des deux composants est inévitable pendant le fonctionnement, nécessitant une stratégie de gestion thermique créative. Cela pourrait inclure un petit ventilateur de refroidissement, mais à mon avis, un meilleur choix est d'utiliser un dissipateur thermique ou un substrat à haute conductivité thermique et d'essayer de dissiper la chaleur vers l'enceinte car cela utilise moins de pièces mobiles.

Utilisez Vos Outils MCAD

Tout système optique nécessite des tolérances mécaniques précises, et les diodes laser pulsées pour les systèmes lidar ne font pas exception. Les systèmes lidar pour véhicules autonomes devront tourner autour de l'intégralité d'un véhicule pour fournir des images de profondeur de tout l'environnement environnant. D'autres systèmes peuvent rester statiques, mais ils nécessitent toujours un positionnement précis par rapport à tout autre composant optique dans ces systèmes. Durant la phase de mise en page, vous devriez utiliser vos outils MCAD pour vérifier le positionnement précis sur la carte et dans votre boîtier.

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