라이다용 펄스 레이저 다이오드 드라이버 회로 레이아웃

자율 주행 차량의 센서 스위트의 일부로, 라이다(LiDAR) 범위 지도는 차량 레이더 및 기타 센서나 이미징 시스템과 함께 주변 환경에서 객체 식별에 중요한 역할을 합니다. 작은 형태 요소와 매끄러운 패키징을 갖춘 기능적인 드라이버 회로를 구축하는 것은 자율 주행 차량 주변에서 라이다 이미징/거리 측정을 가능하게 하는 데 중요합니다.

이러한 회로는 대기 모니터링, 오염 플룸 추적, 항공기의 난기류 측정 및 기타 정밀 측정과 같은 다른 라이다 응용 프로그램에도 적용될 수 있습니다. 특정 라이다 시스템의 유용성을 결정하는 주요 요소는 출력 전력, 펄스 시간 및 반복률입니다. 올바른 드라이버 회로를 설계하거나 다이오드를 드라이빙 IC에 적절히 적용하면 라이다 시스템이 고해상도와 범위로 작동하도록 할 수 있습니다.

펄스 레이저 다이오드 구동 - 송신 측

펄스 레이저 다이오드는 100ns 또는 그보다 빠른 펄스 폭에 도달하기 위해 일반적으로 수백 kHz에서 약 1%의 듀티 사이클로 고전압, 저듀티 사이클 PWM 펄스로 구동됩니다. 펄스 레이저 다이오드를 더 작은 상승 시간으로 구동하면 더 높은 해상도의 이미지를 얻을 수 있고, 더 빠른 스캐닝 속도를 가능하게 합니다. 드라이버 IC와 맞춤형 회로에서 요구되는 짧은 상승 시간은 긴 펄스의 경우 GaAs 장치를 사용하는 것이 필요하며, 짧은 펄스의 경우 GaN이 최선의 선택입니다.

자체 드라이버 회로를 설계하는 경우, 핵심 구성 요소는 FET 드라이버와 전송 증폭기 단계입니다. 펄스 레이저 다이오드를 구동하기 위한 신호는 먼저 FET 드라이버로 증폭되며, 이후 고전류 FET 트랜스임피던스 증폭기를 고이득으로 스위칭하여 필요한 구동 전류를 제공합니다. 이 회로의 블록 다이어그램은 아래에 나와 있습니다.

펄스 레이저 다이오드 드라이버 회로 블록 다이어그램

이 회로는 전류 모드 펄스 드라이버 회로로 설계되었습니다. 전류 제어 장치인 LED나 레이저 다이오드는 정격 순방향 전압 이상에서 저임피던스를 가지므로, 드라이버 회로는 저임피던스 부하에 모든 전력을 떨어뜨려야 하는 전류 소스로 작동합니다. 이것이 기본적으로 펄싱 전력 증폭기이므로, 레이저 다이오드를 통해 떨어지는 전압이 컴플라이언스 전압을 초과하지 않도록 해야 합니다.

펄스 레이저 다이오드를 구동하는 방법을 선택하든, 출력의 지터가 매우 낮아야 합니다. 이는 빛의 속도로 이동하는 신호를 다룰 때, 1 ns의 지터가 30 cm의 거리 오류에 해당하기 때문에 중요합니다. 정확한 거리 측정을 보장하기 위해 지터를 약 10배 줄여야 합니다. 지터 감소는 일반적으로 세 가지 영역, 즉 전력, 임피던스, 그리고 기생 요소에 초점을 맞춥니다.

저 인덕턴스 전력 경로

아래에는 단일 MOSFET 스위칭 요소를 사용한 용량성 펄스 전류 구동의 간소화된 예가 나와 있습니다. 이 토폴로지에서는 FET가 논리 레벨로 스위칭될 수 있도록 선택되어야 하지만, 원하는 펄스의 왜곡을 방지하기 위해 가능한 한 최소한의 기생성분을 가져야 합니다. 필요한 펄스 상승 시간과 형태에서 안정적인 전력 전달은 레이저 다이오드(아래 "LD"로 표시됨)로 이어지는 PDN/신호 체인 전체에서 저 임피던스를 유지함으로써 의존합니다.

이 토폴로지가 매우 기본적으로 보일 수 있지만, 구성 요소 선택과 레이아웃이 주요 도전 과제입니다. 모든 구성 요소는 기생성분이 구성 요소와 레이아웃에 결합되어 펄스 형태를 결정하고, 링잉이나 과도한 노이즈와 같은 문제를 일으킬 수 있으므로 신중하게 선택되어야 합니다. 이에는 모든 구성 요소 리드, PCB 트레이스 및 평면의 인덕턴스가 포함됩니다. 더 일반적인 것은 FET를 증폭기로 교체하는 것입니다; 증폭기 피드백 루프에 최소한의 인덕턴스가 있어야 링잉을 방지할 수 있습니다, 그렇지 않으면 레이저 다이오드에서 나오는 빛 출력에 이것이 중첩될 수 있습니다.

임피던스 매칭이 필요하십니까?

이 질문은 지터와 레이저 다이오드가 비선형 부하 구성 요소로서의 행동에 관련되어 있습니다. 비선형 신호 체인에 익숙하다면, 전력 증폭기(포화 상태 근처에서 작동)와 비선형 부하 사이의 최대 전력 전달은 약간의 임피던스 불일치가 있을 때 일반적으로 발생합니다. 임피던스 불일치의 정확한 양은 로드-풀 분석이라는 기술을 사용하여 결정됩니다.

레이저 다이오드와 직렬로 완벽한 임피던스 매칭 양을 얻으려면, 임피던스 매칭 회로를 레이아웃해야 합니다. 불행히도, 이는 새로운 기생 인덕턴스를 추가하여 증폭기 회로에서 과도하게 감쇠되지 않은 진동의 가능성을 만들 수 있습니다. 대신, 입력 임피던스를 다른 값으로 변환하려고 시도하기보다는 PDN을 적절히 설계하고 필요한 낮은 출력 임피던스를 제공하는 증폭기/FET를 선택함으로써 저임피던스 전류 전달에만 주의를 기울입니다.

수신 측

수신 측에서는 반사/산란된 라이다 펄스가 포토다이오드 배열이나 다른 검출기로 수신되며, 수신된 신호는 시간-디지털 변환 IC를 사용하여 쉽게 수행할 수 있는 비행 시간 측정에 사용됩니다. 그 후, 각 방출 각도에서 수신된 신호는 ADC로 전송되어 비행 시간 측정에서 깊이 맵을 구축하는 데 사용됩니다. 수신 측에서는 비행 시간 측정이 두 가지 방법으로 수행됩니다:

1. 드라이버에 저주파 변조를 적용하고 구동된 펄스 스트림과 수신된 변조된 펄스 스트림 사이의 위상 차이를 측정함으로써
2. 펄스 도착 시간 사이를 직접 측정함으로써(보통 ~100 ps 해상도로)

지터가 직교로 더해지기 때문에, 송수신 측의 증폭 단계 전에 지터를 제거해야 합니다. 펄스 레이저 다이오드 드라이버 IC는 일반적으로 시스템의 스캔 속도와 일치하도록 참조 클록을 변환하는 분수 PLL을 포함합니다. 이 변환된 클록 신호는 그 후 수신 측에서 비행 시간 측정 및 ADC에서 출력 데이터를 직렬화하는 데 사용됩니다.

펄스 대 CW

여기서 우리는 펄스 레이저 다이오드 드라이버 회로 레이아웃에 초점을 맞췄지만, 연속파(CW) 레이저도 펄스 레이저로 작동할 수 있습니다. 하지만, CW 레이저 다이오드를 펄스 레이저 다이오드로 구동하려는 경우, 펄스 폭을 결정하기 위해 자동 상관 측정을 수집해야 하는데, 이는 민감한 광학 장비와 정밀한 기계적 지연 스테이지 없이는 어렵습니다. 변조된 CW 레이저는 출력 전력이 낮고 시간 비행 측정에서 감지하기 더 어려울 수 있습니다. 따라서, 무모한 아이디어를 갖지 말고 그냥 펄스를 고수하세요.

온도 제어

마지막으로, 레이저 다이오드의 출력 전력과 수신 측의 검출기 민감도는 온도에 민감합니다. 일반적으로, 레이저 다이오드의 효율과 검출기의 민감도는 온도가 높아질수록 감소합니다. 두 구성 요소의 온도 증가는 운영 중에 불가피하며, 창의적인 열 관리 전략이 필요합니다. 이는 작은 냉각 팬을 포함할 수 있지만, 제 생각에는 높은 열 전도성을 가진 방열판이나 기판을 사용하고 이를 통해 열을 외함으로 방출하려고 시도하는 것이 더 나은 선택입니다. 이는 이동 부품이 적게 사용되기 때문입니다.

MCAD 도구 사용하기

모든 광학 시스템은 정밀한 기계적 허용 오차를 가지며, 라이다 시스템을 위한 펄스 레이저 다이오드도 마찬가지입니다. 자율 주행 차량을 위한 라이다 시스템은 전체 주변 환경의 깊이 이미지를 제공하기 위해 차량 전체를 돌아야 합니다. 다른 시스템은 고정되어 있을 수 있지만, 이러한 시스템에서 다른 광학 구성 요소에 대해 여전히 정밀한 위치 지정이 필요합니다. 레이아웃 단계에서는 MCAD 도구를 사용하여 보드와 인클로저 내에서 정밀한 위치를 확인해야 합니다.

Altium Designer^®의 강력한 PCB 설계 및 분석 도구를 사용하면 광학 및 광전자 시스템을 구축하기에 이상적인 완벽한 전기 기계 설계 솔루션을 갖게 됩니다. 또한 펄스 레이저 다이오드 드라이버 회로와 다이오드 간의 임피던스 매칭을 해결하는 데 도움이 되는 신호 무결성 도구에도 접근할 수 있습니다.

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