Схема расположения драйвера лазерного диода с импульсным управлением для лидара

В составе комплекса датчиков для автономных транспортных средств, карты дальности лидара играют важную роль в идентификации объектов в окружающей среде наряду с радаром автомобиля и другими датчиками или системами визуализации. Создание функциональной драйверной схемы с малыми габаритами и стильной упаковкой критически важно для обеспечения возможности лидарного изображения/дальнометрии вокруг самоуправляемого транспортного средства.

Те же самые схемы могут быть адаптированы к другим лидарным приложениям, таким как мониторинг атмосферы, отслеживание струй загрязнений, измерения турбулентности в самолетах и другие точные измерения. Основные факторы, определяющие полезность вашей конкретной лидарной системы, это мощность выходного сигнала, время импульса и частота повторения. Если вы спроектируете правильную драйверную схему или правильно адаптируете ваш диод к управляющему ИС, вы можете обеспечить высокое разрешение и дальность работы вашей лидарной системы.

Управление импульсным лазерным диодом - передающая сторона

Импульсные лазерные диоды управляются высоковольтными импульсами с низким коэффициентом заполнения PWM (обычно ~1% коэффициент заполнения на частотах в сотни кГц), чтобы достичь ширины импульса 100 нс или быстрее. Управление импульсным лазерным диодом с меньшим временем нарастания обеспечивает более высокое разрешение изображений и позволяет увеличить скорость сканирования. Короткие времена нарастания, требуемые в интегральных схемах управления и в пользовательских схемах, требуют использования устройств на основе GaAs для более длительных импульсов, в то время как GaN является лучшим выбором для более коротких импульсов.

Если вы разрабатываете собственную схему управления, критически важными компонентами являются драйвер FET и стадии усилителя передачи. Сигнал для управления импульсным лазерным диодом изначально усиливается с помощью драйвера FET, который затем включает высокотоковый FET трансимпедансный усилитель с высоким усилением для обеспечения необходимого тока управления. Ниже показана блок-схема этой схемы.

Блок-схема схемы управления импульсным лазерным диодом

Эта схема разработана как схема драйвера импульсов в режиме управления током. Помните, что устройства, управляемые током, такие как светодиоды или лазерные диоды, имеют низкое сопротивление выше их номинального прямого напряжения; драйверная схема действует как источник тока, который должен рассеивать всю свою мощность на нагрузке с низким сопротивлением. Поскольку это по сути усилитель мощности с импульсным режимом работы, вам нужно убедиться, что напряжение, падающее на лазерный диод, не превышает допустимое напряжение.

Как бы вы ни решили управлять вашим импульсным лазерным диодом, вам нужно будет убедиться, что джиттер на выходе очень низкий. Это критически важно, потому что, когда вы работаете с сигналами, которые распространяются со скоростью света, джиттер в 1 нс соответствует ошибке расстояния в 30 см. Вам нужно будет уменьшить этот джиттер примерно в 10 раз, чтобы обеспечить точные измерения расстояния. Снижение джиттера обычно сосредотачивается на трех областях: мощности, сопротивлении и паразитных параметрах.

Пути питания с низкой индуктивностью

Упрощенный пример импульсного токового привода на основе единственного переключающего элемента MOSFET представлен ниже. В данной топологии FET должен быть выбран таким образом, чтобы его можно было переключать логическими уровнями, однако он должен иметь минимальные паразитные параметры, где это возможно, чтобы предотвратить искажение желаемого импульса. Стабильная подача энергии с необходимым временем нарастания и формой импульса зависит от поддержания низкого импеданса на всем пути PDN/сигнальной цепи, ведущей к лазерному диоду (обозначенному ниже как "LD").

Хотя эта топология может показаться очень простой, основными задачами являются выбор компонентов и размещение. Все компоненты должны быть тщательно подобраны, так как паразитные параметры в компонентах и размещении будут сочетаться, определяя форму импульса, а также проблемы, такие как резонанс или чрезмерный шум. Это включает индуктивность всех выводов компонентов, дорожек и плоскостей печатной платы. Более распространенным является замена FET на усилитель; убедитесь, что петля обратной связи усилителя имеет минимальную индуктивность, чтобы предотвратить резонанс, иначе вы можете увидеть это наложение на световой выход из лазерного диода.

Нужно ли Вам Согласование Импедансов?

Этот вопрос касается джиттера и поведения лазерного диода как нелинейного компонента нагрузки. Если вы знакомы с нелинейными цепями сигналов, максимальная передача мощности между усилителем мощности (работающим около насыщения) и нелинейной нагрузкой обычно происходит, когда есть некоторое небольшое несоответствие импедансов. Точное количество несоответствия импеданса определяется с использованием методики, называемой анализом подстройки нагрузки.

Чтобы добиться идеального согласования импедансов, последовательно с лазерным диодом, вам потребуется разработать схему согласования импедансов. К сожалению, это может добавить новую паразитную индуктивность, создающую потенциал для недоамортизированной колебательной системы в схеме усилителя. Вместо этого, мы ограничиваемся заботой о доставке тока с низким импедансом, соответствующим образом проектируя PDN и выбирая усилитель/FET, который обеспечивает требуемый низкий выходной импеданс, вместо попыток преобразовать входной импеданс к другому значению.

Приёмная сторона

На приемной стороне отраженный/рассеянный лидарный импульс принимается с помощью массива фотодиодов или другого детектора, и принятый сигнал используется для измерения времени пролета, которое легко выполняется с помощью интегральных схем преобразователя времени в цифровой сигнал. После этого принятый сигнал на каждом угле излучения отправляется в АЦП и используется для создания карты глубины на основе измерений времени пролета. На приемной стороне измерение времени пролета выполняется двумя способами:

1. Путем применения модуляции низкой частоты к драйверу и измерения разности фаз между управляемым и принятым модулированными потоками импульсов
2. Путем прямого измерения времени между приходом импульсов (обычно с разрешением ~100 пс)

Поскольку джиттер добавляется по квадратуре, вам нужно будет устранить джиттер до стадий усиления на передающей и приемной сторонах. Драйверы импульсных лазерных диодов обычно включают в себя дробный ФАПЧ, который преобразует опорные часы для соответствия скорости сканирования в системе. Этот преобразованный сигнал часов затем используется на приемной стороне для измерений времени пролета и для сериализации выходных данных с АЦП.

Импульсный против непрерывного волнового (CW)

Обратите внимание, что мы сосредоточились здесь на схеме управления лазерным диодом с импульсным возбуждением, но лазер с непрерывной волной (CW) может работать как импульсный лазер. Однако, если вы намерены использовать диод CW лазера как импульсный лазерный диод, вам следует провести измерение автокорреляции для определения ширины импульса, что сложно без чувствительного оптического оборудования и точной механической задержки. Модулированные лазеры CW будут иметь меньшую выходную мощность и могут быть более сложными для обнаружения в измерении времени полета. Поэтому, не придумывайте ничего лишнего и просто придерживайтесь импульсов.

Контроль температуры

Наконец, выходная мощность лазерного диода и чувствительность детектора на приемной стороне чувствительны к температуре. В общем, эффективность лазерного диода и чувствительность детектора уменьшаются при повышении температуры. Увеличение температуры обоих компонентов неизбежно во время работы, что требует творческого подхода к управлению теплом. Это может включать в себя небольшой охлаждающий вентилятор, но на мой взгляд, лучшим выбором будет использование теплопроводящего радиатора или подложки и попытка рассеять тепло на корпус, так как это использует меньше подвижных частей.

Используйте инструменты MCAD

Любая оптическая система требует точного соблюдения механических допусков, и импульсные лазерные диоды для систем лидар не исключение. Системы лидар для автономных транспортных средств должны вращаться вокруг всего автомобиля, чтобы обеспечивать глубинные изображения всего окружающего пространства. Другие системы могут оставаться статичными, но они все равно требуют точного позиционирования относительно любых других оптических компонентов в этих системах. На этапе размещения вы должны использовать свои инструменты MCAD для проверки точного позиционирования на плате и в вашем корпусе.

С мощными инструментами для проектирования и анализа печатных плат в Altium Designer^®, у вас будет полное электромеханическое решение для проектирования, идеально подходящее для создания оптических и оптоэлектронных систем. У вас также будет доступ к инструментам целостности сигнала, которые могут помочь вам решить задачу согласования импеданса между вашей схемой драйвера импульсного лазерного диода и вашим диодом.

Теперь вы можете скачать бесплатную пробную версию Altium Designer и узнать больше о лучших в отрасли инструментах для размещения, симуляции и планирования производства. Поговорите с экспертом Altium уже сегодня, чтобы узнать больше.