Lidar用パルスレーザーダイオードドライバー回路レイアウト

自動運転車のセンサースイートの一部として、ライダーの範囲マップは、車載レーダーや他のセンサーやイメージングシステムと並んで、周囲の環境での物体識別に重要な役割を果たします。小型フォームファクターとスリークなパッケージングを備えた機能的なドライバーサーキットを構築することは、自動運転車の周囲でライダーイメージング/測距を可能にするために重要です。

これらの同じ回路は、大気モニタリング、汚染プルーム追跡、航空機の乱気流測定、その他の精密測定など、他のライダー応用にも適応できます。特定のライダーシステムの有用性を決定する主要な要因は、出力パワー、パルス時間、および繰り返し率です。適切なドライバーサーキットを設計するか、またはダイオードを適切に駆動ICに適応させることができれば、ライダーシステムが高解像度および範囲で動作することを保証できます。

パルスレーザーダイオードの駆動 - 送信側

パルスレーザーダイオードは、100 nsまたはそれ以下のパルス幅に達するために、高電圧、低デューティサイクルのPWMパルス（通常は数百kHzで約1%のデューティサイクル）で駆動されます。立ち上がり時間が短いパルスレーザーダイオードを駆動することで、より高解像度の画像を得られ、より高速なスキャンレートが可能になります。ドライバICやカスタム回路で必要とされる短い立ち上がり時間は、長いパルスにはGaAsデバイスの使用を、短いパルスにはGaNが最適な選択です。

自分自身のドライバ回路を設計する場合、重要なコンポーネントはFETドライバと送信アンプステージです。パルスレーザーダイオードを駆動する信号は、最初にFETドライバで増幅され、その後、高電流FETトランスインピーダンスアンプリファイアを高いゲインでスイッチオンして、必要な駆動電流を供給します。この回路のブロック図を以下に示します。

パルスレーザーダイオードドライバ回路のブロック図

この回路は、電流モードのパルスドライバ回路として設計されています。電流制御デバイス（LEDやレーザーダイオードなど）は、定格順方向電圧を超えると低インピーダンスになることを覚えておいてください。ドライバ回路は、低インピーダンス負荷に対して全ての電力を落とす必要がある電流源として機能します。これは基本的にパルス電力増幅器であるため、レーザーダイオードを横切る電圧がコンプライアンス電圧を超えないようにする必要があります。

パルスレーザーダイオードをどのように駆動するかにかかわらず、出力のジッターが非常に低いことを確認する必要があります。これは、光速で移動する信号を扱う場合、1 nsのジッターが30 cmの距離誤差に相当するため、非常に重要です。正確な距離測定を保証するために、そのジッターを約10分の1に減らす必要があります。ジッターの削減は通常、電力、インピーダンス、及び寄生要素の3つの領域に焦点を当てます。

低インダクタンス電力経路

以下に示すのは、単一のMOSFETスイッチング要素を用いた容量性パルス電流駆動の簡略化された例です。このトポロジーでは、FETはロジックレベルでスイッチングできるように選ばれるべきですが、望ましいパルスの歪みを防ぐために可能な限り寄生要素が最小限であるべきです。必要なパルス立ち上がり時間と形状で安定した電力供給を実現するには、レーザーダイオード（以下「LD」と記されている）に至るまでのPDN/信号チェーン全体で低インピーダンスを維持することが重要です。

このトポロジーは非常に基本的に見えるかもしれませんが、コンポーネントの選択とレイアウトが主な課題です。すべてのコンポーネントは慎重に選ばれる必要があり、コンポーネントとレイアウトの寄生要素が組み合わさってパルス形状を決定し、リンギングや過剰なノイズのような問題を引き起こす可能性があります。これには、すべてのコンポーネントリード、PCBのトレース、プレーン上のインダクタンスが含まれます。より一般的なのは、FETをアンプに置き換えることです。アンプのフィードバックループにインダクタンスが最小限であることを確認してリンギングを防ぐ必要があります。そうでない場合、レーザーダイオードからの光出力にこれが重畳される可能性があります。

インピーダンスマッチングは必要ですか？

この質問は、ジッターとレーザーダイオードの振る舞いに関連しており、非線形負荷コンポーネントとしてのそれについてです。非線形信号チェーンに精通している場合、パワーアンプ（飽和近くで動作）と非線形負荷の間の最大電力伝達は、わずかなインピーダンスの不一致がある場合に通常発生します。インピーダンスの不一致の正確な量は、ロードプル分析と呼ばれる技術を使用して決定されます。

レーザーダイオードと直列に、完璧なインピーダンスマッチングの量を得るためには、インピーダンスマッチング回路をレイアウトする必要があります。残念ながら、これにより新たな寄生インダクタンスが追加され、アンプ回路内で減衰不足の振動の可能性が生じます。その代わりに、入力インピーダンスを異なる値に変換しようとするのではなく、適切にPDNを設計し、必要な低出力インピーダンスを提供するアンプ/FETを選択することで、低インピーダンスの電流供給にのみ注意を払います。

受信側

受信側では、反射/散乱されたライダーパルスがフォトダイオードアレイまたは他の検出器で受信され、受信信号は飛行時間測定に使用されます。これは、時間-デジタル変換ICを使用して簡単に実行できます。その後、各発射角度で受信された信号はADCに送られ、飛行時間測定から深度マップを構築するために使用されます。受信側では、飛行時間測定が2つの方法で実行されます：

1. ドライバーに低周波数変調を適用し、駆動されたパルスストリームと受信した変調パルスストリームの位相差を測定する
2. パルスの到着間の時間を直接測定する（通常は約100 psの解像度で）

ジッターは二乗和で加算されるため、送信側と受信側の増幅段階の前にジッターを除去する必要があります。パルスレーザーダイオードドライバーICには通常、分数PLLが含まれており、これは参照クロックをシステムの走査レートに合わせて変換します。この変換されたクロック信号は、その後、飛行時間測定およびADCからの出力データの直列化のために受信側で使用されます。

パルス対CW

ここではパルスレーザーダイオードドライバー回路のレイアウトに焦点を当てていますが、連続波（CW）レーザーもパルスレーザーとして動作させることができます。しかし、CWレーザーダイオードをパルスレーザーダイオードとして駆動するつもりなら、パルス幅を決定するためにオートコリレーション測定を行うべきですが、これは敏感な光学機器と精密な機械遅延ステージがなければ困難です。変調されたCWレーザーは出力が低く、飛行時間測定での検出がより困難になる可能性があります。したがって、明るいアイデアを出さずにパルスを使い続けることをお勧めします。

温度制御

最後に、レーザーダイオードからの出力パワーと受信側の検出器の感度は温度に敏感です。一般に、レーザーダイオードの効率と検出器の感度は、温度が高くなるとともに低下します。両コンポーネントの温度上昇は運用中に避けられないため、創造的な熱管理戦略が必要です。これには小型の冷却ファンを使用することも含まれますが、私の意見では、高熱伝導率のヒートシンクや基板を使用し、動く部品が少ないエンクロージャーへの熱の放散を試みる方が良い選択です。

MCADツールを使用する

任意の光学システムは、精密な機械的公差を伴いますが、ライダーシステム用のパルスレーザーダイオードも例外ではありません。自動運転車両用のライダーシステムは、周囲の環境全体の深度画像を提供するために、車両全体を回転させる必要があります。他のシステムは静的なままでいられますが、これらのシステム内の他の光学コンポーネントに対しても精密な位置決めが必要です。レイアウトフェーズでは、MCADツールを使用して、基板およびエンクロージャ内での精密な位置決めを確認する必要があります。

Altium Designer^®の強力なPCB設計および分析ツールを使用すると、光学および光電子システムを構築するための理想的な電気機械設計ソリューションを手に入れることができます。また、パルスレーザーダイオードドライバ回路とダイオードの間のインピーダンスマッチングに対処するのに役立つ信号整合ツールも利用できます。

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