Disposizione del circuito di pilotaggio per diodi laser pulsati per Lidar

Nell'ambito della suite di sensori per veicoli autonomi, le mappe di portata lidar svolgono un ruolo importante nell'identificazione degli oggetti nell'ambiente circostante, insieme al radar per auto e ad altri sensori o sistemi di imaging. Costruire un circuito di pilotaggio funzionale con un fattore di forma ridotto e un packaging elegante è fondamentale per abilitare l'imaging/la rilevazione della distanza lidar intorno a un veicolo a guida autonoma.

Questi stessi circuiti possono essere adattati ad altre applicazioni lidar, come il monitoraggio atmosferico, il tracciamento di pennacchi di inquinamento, le misurazioni della turbolenza in aerei e altre misurazioni precise. I fattori principali che determinano l'utilità del tuo particolare sistema lidar sono la potenza in uscita, il tempo di impulso e il tasso di ripetizione. Se progetti il circuito di pilotaggio giusto, o adatti correttamente il tuo diodo a un IC di pilotaggio, puoi garantire che il tuo sistema lidar funzionerà con alta risoluzione e portata.

Guida di un Diodo Laser Pulsato - Il Lato di Trasmissione

I diodi laser pulsati sono pilotati con impulsi PWM ad alta tensione e basso ciclo di lavoro (solitamente ~1% di ciclo di lavoro a centinaia di kHz) per raggiungere larghezze di impulso di 100 ns o inferiori. Pilotare un diodo laser pulsato con un tempo di salita minore fornisce immagini ad alta risoluzione e consente una velocità di scansione più rapida. I brevi tempi di salita richiesti nei circuiti integrati per driver e nei circuiti personalizzati richiedono l'uso di dispositivi GaAs per impulsi più lunghi, mentre il GaN è la scelta migliore per impulsi più corti.

Se stai progettando il tuo circuito driver, i componenti critici sono il driver FET e le fasi dell'amplificatore di trasmissione. Il segnale per pilotare il diodo laser pulsato viene inizialmente amplificato con un driver FET, che poi attiva un amplificatore di transimpedenza FET ad alta corrente con alto guadagno per fornire la corrente di pilotaggio richiesta. Di seguito è mostrato un diagramma a blocchi di questo circuito.

Diagramma a blocchi del circuito driver per diodo laser pulsato

Questo circuito è progettato per essere un circuito driver a impulsi in modalità corrente. Ricorda, i dispositivi controllati dalla corrente come i LED o i diodi laser hanno un'impedenza bassa al di sopra della loro tensione nominale diretta; il circuito driver agisce come una sorgente di corrente che deve dissipare tutta la sua potenza su un carico a bassa impedenza. Poiché questo è sostanzialmente un amplificatore di potenza a impulsi, devi assicurarti che la tensione caduta attraverso il diodo laser non superi la tensione di compliance.

Tuttavia decidi di pilotare il tuo diodo laser a impulsi, dovrai assicurarti che il jitter nell'uscita sia molto basso. Questo è critico perché, quando lavori con segnali che viaggiano alla velocità della luce, un jitter di 1 ns equivale a un errore di distanza di 30 cm. Dovrai ridurre quel jitter di un fattore ~10 per garantire misurazioni di distanza accurate. La riduzione del jitter si concentra tipicamente in tre aree: potenza, impedenza e parassiti.

Percorsi di Potenza a Bassa Induttanza

Un esempio semplificato di un circuito di pilotaggio a corrente pulsata capacitiva con un singolo elemento di commutazione MOSFET è mostrato di seguito. In questa topologia, il FET dovrebbe essere scelto in modo che possa essere commutato con livelli logici, tuttavia dovrebbe avere il minimo di parassitismi possibile per prevenire la distorsione dell'impulso desiderato. La consegna di potenza stabile al tempo di salita dell'impulso richiesto e alla forma dipende dal mantenimento di una bassa impedenza in tutta la catena PDN/segale fino al diodo laser (indicato con "LD" di seguito).

Sebbene questa topologia possa sembrare molto basilare, la selezione dei componenti e il layout sono le principali sfide. Tutti i componenti devono essere selezionati con cura poiché i parassitismi nei componenti e nel layout si combineranno per determinare la forma dell'impulso, così come problemi come il ringing o il rumore eccessivo. Ciò include l'induttanza su tutti i terminali dei componenti, le tracce del PCB e i piani. Più comunemente si sostituisce il FET con un amplificatore; assicurati che il circuito di feedback dell'amplificatore abbia un'induttanza minima per prevenire il ringing, altrimenti potresti vedere questo sovrapposto all'uscita luminosa dal diodo laser.

Hai Bisogno di Adattamento dell'Impedenza?

Questa domanda riguarda il jitter e il comportamento di un diodo laser come componente di carico non lineare. Se sei familiare con le catene di segnale non lineari, il trasferimento di potenza massimo tra un amplificatore di potenza (che funziona vicino alla saturazione) e un carico non lineare si verifica tipicamente quando c'è una leggera disadattanza di impedenza. La quantità esatta di disadattanza di impedenza viene determinata utilizzando una tecnica chiamata analisi di load-pull.

Per arrivare alla quantità perfetta di adattamento di impedenza, in serie con il diodo laser, sarebbe necessario progettare un circuito di adattamento di impedenza. Sfortunatamente, ciò può aggiungere nuova induttanza parassita che crea il potenziale per un'oscillazione sottosmorzata nel circuito dell'amplificatore. Invece, ci preoccupiamo solo della consegna di corrente a bassa impedenza progettando adeguatamente il PDN e selezionando un amplificatore/FET che fornisca l'impedenza di uscita bassa richiesta, piuttosto che cercare di trasformare l'impedenza di ingresso in un valore diverso.

Il Lato di Ricezione

Sul lato di ricezione, l'impulso lidar riflesso/disperso viene ricevuto con un array di fotodiodi o altro rilevatore, e il segnale ricevuto è utilizzato per una misurazione del tempo di volo, che può essere facilmente eseguita con IC convertitori da tempo a digitale. Successivamente, il segnale ricevuto ad ogni angolo di emissione viene inviato a un ADC ed è utilizzato per costruire una mappa di profondità dalle misurazioni del tempo di volo. Sul lato del ricevitore, una misurazione del tempo di volo viene eseguita in due modi:

1. Applicando una modulazione a bassa frequenza al driver e misurando la differenza di fase tra i flussi di impulsi modulati trasmessi e ricevuti
2. Misurando direttamente il tempo tra l'arrivo degli impulsi (solitamente con una risoluzione di ~100 ps)

Poiché il jitter si aggiunge in quadratura, sarà necessario rimuovere il jitter prima delle fasi di amplificazione sui lati di trasmissione e ricezione. Gli IC driver di diodi laser pulsati includono tipicamente un PLL frazionario che converte un orologio di riferimento per corrispondere al tasso di scansione nel sistema. Questo segnale di orologio convertito viene poi utilizzato sul lato di ricezione per le misurazioni del tempo di volo e per serializzare i dati in uscita dall'ADC.

Pulsato vs. CW

Si noti che ci siamo concentrati sulla disposizione del circuito di un driver per diodi laser pulsati, ma un laser a onda continua (CW) può essere utilizzato come un laser pulsato. Tuttavia, se intendi pilotare un diodo laser CW come un diodo laser pulsato, dovresti effettuare una misurazione dell'autocorrelazione per determinare la larghezza dell'impulso, il che è difficile senza attrezzature ottiche sensibili e un palcoscenico meccanico di ritardo fine. I laser CW modulati avranno una potenza di uscita inferiore e potrebbero essere più difficili da rilevare in una misurazione del tempo di volo. Pertanto, non farti venire idee brillanti e attieniti semplicemente agli impulsi.

Controllo della Temperatura

Infine, la potenza di uscita di un diodo laser e la sensibilità del rilevatore sul lato di ricezione sono sensibili alla temperatura. In generale, l'efficienza di un diodo laser e la sensibilità del rilevatore diminuiscono con l'aumento della temperatura. Un aumento della temperatura di entrambi i componenti è inevitabile durante il funzionamento, richiedendo una strategia creativa di gestione termica. Questo potrebbe includere un piccolo ventilatore di raffreddamento, ma a mio parere, una scelta migliore è utilizzare un dissipatore di calore o un substrato ad alta conducibilità termica e cercare di dissipare il calore verso l'involucro poiché ciò utilizza meno parti mobili.

Usa i Tuoi Strumenti MCAD

Ogni sistema ottico comporta tolleranze meccaniche precise, e i diodi laser pulsati per i sistemi lidar non fanno eccezione. I sistemi lidar per veicoli autonomi dovranno ruotare attorno all'intero veicolo per fornire immagini di profondità dell'intero ambiente circostante. Altri sistemi possono rimanere statici, ma richiedono comunque un posizionamento preciso rispetto agli altri componenti ottici presenti in questi sistemi. Durante la fase di layout, dovresti utilizzare i tuoi strumenti MCAD per verificare il posizionamento preciso sulla scheda e nel tuo involucro.

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