Układ sterownika diody laserowej impulsowej dla Lidar

W ramach zestawu czujników dla pojazdów autonomicznych, mapy zasięgu lidar odgrywają ważną rolę w identyfikacji obiektów w otaczającym środowisku, obok radaru samochodowego i innych czujników lub systemów obrazowania. Budowa funkcjonalnego obwodu sterującego o małych wymiarach i eleganckim opakowaniu jest kluczowa dla umożliwienia obrazowania/dalmierzowania lidar wokół pojazdu autonomicznego.

Te same obwody mogą być dostosowane do innych zastosowań lidar, takich jak monitorowanie atmosfery, śledzenie plam zanieczyszczeń, pomiary turbulencji w samolotach i inne precyzyjne pomiary. Główne czynniki, które decydują o użyteczności konkretnego systemu lidar, to moc wyjściowa, czas impulsu i częstotliwość powtarzania. Jeśli zaprojektujesz odpowiedni obwód sterujący, lub odpowiednio dostosujesz swoją diodę do układu sterującego IC, możesz zapewnić, że Twój system lidar będzie działał z wysoką rozdzielczością i zasięgiem.

Sterowanie impulsową diodą laserową - Strona nadawcza

Dioda laserowa impulsowa jest sterowana wysokim napięciem, impulsami PWM o niskim współczynniku wypełnienia (zazwyczaj ~1% współczynnika wypełnienia przy setkach kHz), aby osiągnąć szerokości impulsów 100 ns lub szybsze. Sterowanie diodą laserową impulsową z mniejszym czasem narastania zapewnia obrazy o wyższej rozdzielczości i umożliwia szybsze skanowanie. Krótkie czasy narastania wymagane w układach scalonych sterowników i w układach niestandardowych wymagają użycia urządzeń GaAs dla dłuższych impulsów, podczas gdy GaN jest najlepszym wyborem dla krótszych impulsów.

Jeśli projektujesz własny obwód sterownika, kluczowymi komponentami są sterownik FET i etapy wzmacniacza nadawczego. Sygnał do sterowania diodą laserową impulsową jest początkowo wzmacniany przez sterownik FET, który następnie włącza wysokoprądowy wzmacniacz transimpedancyjny FET o wysokim wzmocnieniu, aby dostarczyć wymagany prąd sterujący. Poniżej przedstawiono schemat blokowy tego obwodu.

Schemat blokowy obwodu sterownika diody laserowej impulsowej

Ten obwód jest zaprojektowany jako obwód sterujący impulsami w trybie prądowym. Pamiętaj, że urządzenia sterowane prądem, takie jak diody LED czy diody laserowe, mają niską impedancję powyżej ich nominalnego napięcia przewodzenia; obwód sterujący działa jako źródło prądu, które musi rozproszyć całą swoją moc na obciążeniu o niskiej impedancji. Ponieważ jest to w zasadzie wzmacniacz mocy pracujący w trybie impulsowym, musisz upewnić się, że napięcie rozproszone na diodzie laserowej nie przekracza napięcia zgodności.

Jakiekolwiek wybierzesz metody sterowania swoją impulsową diodą laserową, musisz zapewnić, że jitter na wyjściu jest bardzo niski. Jest to krytyczne, ponieważ, kiedy pracujesz z sygnałami poruszającymi się z prędkością światła, jitter o 1 ns równa się błędowi odległości 30 cm. Musisz zmniejszyć ten jitter o czynnik ~10, aby zapewnić dokładne pomiary odległości. Redukcja jittera zazwyczaj koncentruje się na trzech obszarach: mocy, impedancji i elementach pasożytniczych.

Ścieżki zasilania o niskiej indukcyjności

Uproszczony przykład napędu impulsowego prądu pojemnościowego z pojedynczym elementem przełączającym MOSFET jest pokazany poniżej. W tej topologii, FET powinien być dobrany tak, aby mógł być przełączany na poziomach logicznych, jednak powinien mieć minimalne pasożyty tam, gdzie to możliwe, aby zapobiec zniekształceniu pożądanego impulsu. Stabilne dostarczanie mocy przy wymaganym czasie narastania i kształcie impulsu zależy od utrzymania niskiej impedancji na całej drodze PDN/łańcucha sygnałowego prowadzącego do diody laserowej (oznaczonej poniżej jako "LD").

Mimo że ta topologia może wydawać się bardzo podstawowa, głównymi wyzwaniami są dobór komponentów i układ. Wszystkie komponenty muszą być starannie dobrane, ponieważ pasożyty w komponentach i układzie połączą się, decydując o kształcie impulsu, jak również problemach takich jak dzwonienie czy nadmierny szum. Obejmuje to indukcyjność na wszystkich wyprowadzeniach komponentów, ścieżkach PCB i płaszczyznach. Częściej zastępuje się FET wzmacniaczem; upewnij się, że pętla sprzężenia zwrotnego wzmacniacza ma minimalną indukcyjność, aby zapobiec dzwonieniu, w przeciwnym razie możesz zobaczyć to nałożone na wyjście świetlne z diody laserowej.

Czy potrzebujesz dopasowania impedancji?

To pytanie dotyczy jittera i zachowania diody laserowej jako nieliniowego elementu obciążenia. Jeśli znasz nieliniowe łańcuchy sygnałowe, maksymalny transfer mocy między wzmacniaczem mocy (pracującym blisko nasycenia) a nieliniowym obciążeniem zazwyczaj występuje, gdy istnieje pewne niewielkie niedopasowanie impedancji. Dokładną wartość niedopasowania impedancji określa się za pomocą techniki zwanej analizą ciągnięcia obciążenia (load-pull analysis).

Aby osiągnąć idealne dopasowanie impedancji, w szereg z diodą laserową, należałoby rozmieścić obwód dopasowujący impedancję. Niestety, może to dodać nową indukcyjność pasożytniczą, która stwarza potencjał dla niedotłumionej oscylacji w obwodzie wzmacniacza. Zamiast tego, skupiamy się tylko na dostarczaniu prądu o niskiej impedancji poprzez odpowiednie projektowanie PDN i wybór wzmacniacza/FET, który zapewnia wymaganą niską impedancję wyjściową, zamiast próbować przekształcić impedancję wejściową na inną wartość.

Strona odbiorcza

Po stronie odbiorczej odbity/rozproszony impuls lidarowy jest odbierany za pomocą tablicy fotodiod lub innego detektora, a otrzymany sygnał jest wykorzystywany do pomiaru czasu przelotu, który można łatwo wykonać za pomocą układów scalonych konwertera czasu na cyfry. Następnie otrzymany sygnał pod każdym kątem emisji jest wysyłany do przetwornika ADC i wykorzystywany do budowy mapy głębi z pomiarów czasu przelotu. Po stronie odbiornika pomiar czasu przelotu jest wykonywany na dwa sposoby:

1. Poprzez zastosowanie modulacji niskiej częstotliwości do sterownika i mierzenie różnicy faz pomiędzy napędzanymi i odbieranymi modulowanymi strumieniami impulsów
2. Poprzez bezpośrednie mierzenie czasu pomiędzy przybyciem impulsów (zazwyczaj z rozdzielczością ~100 ps)

Ponieważ jitter dodaje się w kwadraturze, należy usunąć jitter przed etapami wzmacniania po stronie nadawczej i odbiorczej. Układy scalone sterowników impulsowych diod laserowych zwykle zawierają ułamkowy PLL, który konwertuje sygnał zegarowy referencyjny, aby dopasować go do szybkości skanowania w systemie. Ten przekonwertowany sygnał zegarowy jest następnie wykorzystywany po stronie odbiorczej do pomiarów czasu przelotu oraz do szeregowania danych wyjściowych z przetwornika ADC.

Impulsowy vs. CW

Należy zauważyć, że skupiliśmy się tutaj na układzie sterowania diodą laserową impulsową, ale laser ciągły (CW) może być również eksploatowany jako laser impulsowy. Jednakże, jeśli zamierzasz sterować diodą laserową CW jako diodą laserową impulsową, powinieneś przeprowadzić pomiar autokorelacji, aby określić szerokość impulsu, co jest trudne bez wrażliwego sprzętu optycznego i precyzyjnej mechanicznej fazy opóźnienia. Modulowane lasery CW będą miały niższą moc wyjściową i mogą być trudniejsze do wykrycia w pomiarze czasu przelotu. Dlatego nie wpadaj na żadne genialne pomysły i po prostu trzymaj się impulsów.

Kontrola temperatury

Ostatecznie, moc wyjściowa z diody laserowej i czułość detektora po stronie odbiorczej są wrażliwe na temperaturę. Ogólnie rzecz biorąc, efektywność diody laserowej i czułość detektora obniżają się przy wyższej temperaturze. Wzrost temperatury obu komponentów jest nieunikniony podczas działania, co wymaga kreatywnej strategii zarządzania ciepłem. Może to obejmować mały wentylator chłodzący, ale moim zdaniem lepszym wyborem jest użycie podłoża lub radiatora o wysokiej przewodności cieplnej i próba rozpraszania ciepła do obudowy, ponieważ wykorzystuje to mniej ruchomych części.

Wykorzystaj swoje narzędzia MCAD

Każdy system optyczny wymaga precyzyjnych tolerancji mechanicznych, a impulsowe diody laserowe dla systemów lidar nie są wyjątkiem. Systemy lidar dla pojazdów autonomicznych będą musiały obracać się dookoła całego pojazdu, aby dostarczać obrazy głębi całego otoczenia. Inne systemy mogą pozostać statyczne, ale nadal wymagają precyzyjnego pozycjonowania względem innych komponentów optycznych w tych systemach. Podczas fazy projektowania, powinieneś użyć swoich narzędzi MCAD, aby zweryfikować precyzyjne pozycjonowanie na płytce i w obudowie.

Z potężnymi narzędziami do projektowania i analizy PCB w Altium Designer^®, będziesz miał kompleksowe rozwiązanie do projektowania elektromechanicznego, idealne do budowania systemów optycznych i optoelektronicznych. Będziesz miał również dostęp do narzędzi integralności sygnału, które mogą pomóc Ci rozwiązać problem dopasowania impedancji między obwodem sterownika diody laserowej impulsowej a diodą.

Teraz możesz pobrać darmową wersję próbną Altium Designer i dowiedzieć się więcej o najlepszych w branży narzędziach do projektowania, symulacji i planowania produkcji. Porozmawiaj z ekspertem Altium już dziś, aby dowiedzieć się więcej.