Layout de Circuito de Driver de Diodo Laser Pulsado para Lidar

Como parte do conjunto de sensores para veículos autônomos, os mapas de alcance do lidar desempenham um papel importante na identificação de objetos no ambiente ao redor, ao lado do radar de carro e outros sensores ou sistemas de imagem. Construir um circuito de driver funcional com fator de forma pequeno e embalagem elegante é crítico para possibilitar a imagem/localização por lidar ao redor de um veículo autônomo.

Esses mesmos circuitos podem ser adaptados para outras aplicações de lidar, como monitoramento atmosférico, rastreamento de plumas de poluição, medições de turbulência em aeronaves e outras medições precisas. Os principais fatores que determinam a utilidade do seu sistema de lidar específico são a saída de potência, o tempo de pulso e a taxa de repetição. Se você projetar o circuito de driver certo, ou adaptar adequadamente seu diodo a um CI de acionamento, você pode garantir que seu sistema de lidar operará com alta resolução e alcance.

Conduzindo um Diodo Laser Pulsado - O Lado de Transmissão

Diodos a laser pulsados são acionados com pulsos PWM de alta tensão e baixo ciclo de trabalho (geralmente ~1% de ciclo de trabalho a centenas de kHz) para alcançar larguras de pulso de 100 ns ou mais rápidas. Acionar um diodo a laser pulsado com um tempo de subida menor proporciona imagens de maior resolução e permite uma taxa de varredura mais rápida. Os curtos tempos de subida exigidos nos CI de driver e em circuitos personalizados requerem o uso de dispositivos GaAs para pulsos mais longos, enquanto o GaN é a melhor escolha para pulsos mais curtos.

Se você está projetando seu próprio circuito de driver, os componentes críticos são os estágios de driver FET e amplificador de transmissão. O sinal para acionar o diodo a laser pulsado é inicialmente amplificado com um driver FET, que então aciona um amplificador de transimpedância FET de alta corrente com alto ganho para fornecer a corrente de acionamento necessária. Um diagrama de blocos deste circuito é mostrado abaixo.

Diagrama de blocos do circuito driver de diodo a laser pulsado

Este circuito é projetado para ser um circuito de driver de pulso em modo corrente. Lembre-se, dispositivos controlados por corrente como LEDs ou diodos laser têm baixa impedância acima de sua tensão nominal de avanço; o circuito de driver atua como uma fonte de corrente que precisa dissipar toda a sua potência sobre uma carga de baixa impedância. Como isso é basicamente um amplificador de potência pulsante, você precisa garantir que a tensão dissipada através do diodo laser não exceda a tensão de conformidade.

Independentemente de como você escolher para acionar seu diodo laser pulsado, você precisará garantir que o jitter na saída seja muito baixo. Isso é crítico porque, quando você está trabalhando com sinais que viajam à velocidade da luz, um jitter de 1 ns equivale a um erro de distância de 30 cm. Você precisará reduzir esse jitter por um fator de ~10 para garantir medições de distância precisas. A redução do jitter normalmente se concentra em três áreas: potência, impedância e parasitas.

Caminhos de Potência de Baixa Indutância

Um exemplo simplificado de uma unidade de corrente pulsada capacitiva com um único elemento de comutação MOSFET é mostrado abaixo. Nesta topologia, o FET deve ser escolhido de forma que possa ser comutado com níveis lógicos, mas deve ter parasitas mínimos onde possível para evitar distorção do pulso desejado. A entrega de energia estável no tempo de subida e forma de pulso requeridos depende da manutenção de uma baixa impedância em toda a cadeia PDN/sinal até o diodo laser (marcado como "LD" abaixo).

Embora esta topologia possa parecer muito básica, a seleção de componentes e o layout são os principais desafios. Todos os componentes devem ser cuidadosamente selecionados, pois parasitas nos componentes e no layout se combinarão para determinar a forma do pulso, bem como problemas como ressonância ou ruído excessivo. Isso inclui a indutância em todos os terminais dos componentes, as trilhas e planos do PCB. Mais comum é substituir o FET por um amplificador; certifique-se de que o loop de feedback do amplificador tenha indutância mínima para evitar ressonância, caso contrário, você pode ver isso superposto na saída de luz do diodo laser.

Você Precisa de Correspondência de Impedância?

Esta questão está relacionada ao jitter e ao comportamento de um diodo laser como um componente de carga não linear. Se você está familiarizado com cadeias de sinal não linear, a transferência de potência máxima entre um amplificador de potência (operando próximo da saturação) e uma carga não linear geralmente ocorre quando há uma pequena incompatibilidade de impedância. A quantidade exata de incompatibilidade de impedância é determinada usando uma técnica chamada análise de puxada de carga.

Para chegar à quantidade perfeita de casamento de impedância, em série com o diodo laser, você precisaria projetar um circuito de casamento de impedância. Infelizmente, isso pode adicionar nova indutância parasita que cria o potencial para uma oscilação subamortecida no circuito do amplificador. Em vez disso, nos preocupamos apenas com a entrega de corrente de baixa impedância, projetando adequadamente a PDN e selecionando um amplificador/FET que forneça a baixa impedância de saída necessária, em vez de tentar transformar a impedância de entrada para um valor diferente.

O Lado de Recebimento

No lado de recepção, o pulso de lidar refletido/dispersado é recebido com um arranjo de fotodiodos ou outro detector, e o sinal recebido é utilizado para uma medição de tempo de voo, que pode ser facilmente realizada com circuitos integrados conversores de tempo para digital. Posteriormente, o sinal recebido em cada ângulo de emissão é enviado para um ADC e é utilizado para construir um mapa de profundidade a partir das medições de tempo de voo. No lado do receptor, uma medição de tempo de voo é realizada de duas maneiras:

1. Aplicando modulação de baixa frequência ao driver e medindo a diferença de fase entre os fluxos de pulso modulados transmitidos e recebidos
2. Medindo diretamente o tempo entre a chegada dos pulsos (geralmente com resolução de ~100 ps)

Como o jitter se soma em quadratura, você precisará remover o jitter antes das etapas de amplificação nos lados de transmissão e recepção. Circuitos integrados de driver de diodo laser pulsado geralmente incluem um PLL fracionário que converte um relógio de referência para corresponder à taxa de varredura no sistema. Esse sinal de relógio convertido é então utilizado no lado de recepção para medições de tempo de voo e para serializar os dados de saída do ADC.

Pulsado vs. CW

Note que nos concentramos aqui no layout do circuito do driver de diodo laser pulsado, mas um laser de onda contínua (CW) pode ser operado como um laser pulsado. No entanto, se você pretende conduzir um diodo laser CW como um diodo laser pulsado, deve obter uma medição de autocorrelação para determinar a largura do pulso, o que é difícil sem equipamento óptico sensível e um estágio de atraso mecânico fino. Lasers CW modulados terão menor potência de saída e podem ser mais difíceis de detectar em uma medição de tempo de voo. Portanto, não tenha ideias brilhantes e apenas fique com os pulsos.

Controle de Temperatura

Finalmente, a potência de saída de um diodo laser e a sensibilidade do detector no lado de recepção são sensíveis à temperatura. Em geral, a eficiência de um diodo laser e a sensibilidade do detector diminuem com a temperatura mais alta. Um aumento de temperatura de ambos os componentes é inevitável durante a operação, exigindo uma estratégia criativa de gerenciamento térmico. Isso pode incluir um pequeno ventilador de refrigeração, mas na minha opinião, uma escolha melhor é usar um dissipador de calor ou substrato de alta condutividade térmica e tentar dissipar o calor para o invólucro, pois isso usa menos partes móveis.

Use Suas Ferramentas MCAD

Qualquer sistema óptico possui tolerâncias mecânicas precisas, e os diodos laser pulsados para sistemas lidar não são diferentes. Sistemas lidar para veículos autônomos precisarão girar ao redor de todo o veículo para fornecer imagens de profundidade de todo o ambiente ao redor. Outros sistemas podem permanecer estáticos, mas ainda requerem posicionamento preciso em relação a quaisquer outros componentes ópticos nesses sistemas. Durante a fase de layout, você deve usar suas ferramentas MCAD para verificar o posicionamento preciso na placa e em seu invólucro.

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