Bố trí mạch điều khiển Điốt Laser Xung cho Lidar

Là một phần của bộ cảm biến cho xe tự lái, bản đồ phạm vi lidar đóng một vai trò quan trọng trong việc nhận diện đối tượng trong môi trường xung quanh, cùng với radar xe hơi và các cảm biến hoặc hệ thống hình ảnh khác. Việc xây dựng một mạch điều khiển chức năng với kích thước nhỏ gọn và bao bì tinh tế là rất quan trọng để kích hoạt hình ảnh/quét phạm vi lidar xung quanh một xe tự lái.

Những mạch tương tự có thể được điều chỉnh cho các ứng dụng lidar khác, như giám sát khí quyển, theo dõi dòng chảy ô nhiễm, đo lường sự hỗn loạn trong máy bay, và các phép đo chính xác khác. Các yếu tố chính quyết định tính hữu ích của hệ thống lidar cụ thể của bạn là công suất đầu ra, thời gian xung, và tốc độ lặp lại. Nếu bạn thiết kế mạch điều khiển phù hợp, hoặc điều chỉnh diode của bạn với một IC điều khiển một cách thích hợp, bạn có thể đảm bảo rằng hệ thống lidar của bạn sẽ hoạt động với độ phân giải và phạm vi cao.

Điều Khiển Diode Laser Xung - Phía Truyền

Các diode laser xung được điều khiển bằng các xung PWM có điện áp cao, chu kỳ làm việc thấp (thường là ~1% chu kỳ làm việc ở hàng trăm kHz) để đạt được độ rộng xung 100 ns hoặc nhanh hơn. Việc điều khiển một diode laser xung với thời gian tăng nhanh hơn cung cấp hình ảnh độ phân giải cao hơn và cho phép tốc độ quét nhanh hơn. Thời gian tăng ngắn yêu cầu trong IC điều khiển và trong các mạch tùy chỉnh đòi hỏi sử dụng các thiết bị GaAs cho các xung dài hơn, trong khi GaN là lựa chọn tốt nhất cho các xung ngắn hơn.

Nếu bạn đang thiết kế mạch điều khiển của riêng mình, các thành phần quan trọng là giai đoạn điều khiển FET và giai đoạn khuếch đại truyền. Tín hiệu để điều khiển diode laser xung ban đầu được khuếch đại với một điều khiển FET, sau đó chuyển mạch một khuếch đại truyền dẫn FET dòng cao với độ lợi cao để cung cấp dòng điều khiển cần thiết. Sơ đồ khối của mạch này được hiển thị dưới đây.

Sơ đồ khối mạch điều khiển diode laser xung

Mạch này được thiết kế để làm một mạch điều khiển xung theo chế độ dòng điện. Hãy nhớ, các thiết bị điều khiển bằng dòng điện như LED hoặc diode laser có trở kháng thấp khi vượt qua điện áp định mức của chúng; mạch điều khiển đang hoạt động như một nguồn dòng điện cần phải giảm tất cả công suất của mình qua tải trở kháng thấp. Vì đây cơ bản là một bộ khuếch đại công suất xung, bạn cần đảm bảo điện áp giảm qua diode laser không vượt quá điện áp tuân thủ.

Dù bạn chọn cách nào để điều khiển diode laser xung của mình, bạn cần phải đảm bảo jitter trong đầu ra rất thấp. Điều này rất quan trọng bởi vì, khi bạn đang làm việc với các tín hiệu di chuyển với tốc độ ánh sáng, jitter 1 ns tương đương với lỗi khoảng cách 30 cm. Bạn cần phải giảm jitter này xuống khoảng ~10 lần để đảm bảo đo khoảng cách chính xác. Việc giảm jitter thường tập trung vào ba lĩnh vực: công suất, trở kháng, và các yếu tố nhiễu.

Đường Dẫn Công Suất Có Độ Tự Cảm Thấp

Một ví dụ đơn giản về mạch lái dòng xung dung kháng với một phần tử chuyển mạch MOSFET đơn lẻ được hiển thị dưới đây. Trong cấu trúc này, FET nên được chọn sao cho có thể chuyển mạch bằng mức logic, nhưng cũng nên có các thành phần nhiễu cực tiểu nếu có thể để ngăn chặn sự méo mó của xung mong muốn. Việc cung cấp năng lượng ổn định tại thời gian tăng xung và hình dạng yêu cầu phụ thuộc vào việc duy trì trở kháng thấp xuyên suốt mạng lưới phân phối năng lượng/tín hiệu dẫn đến diode laser (được đánh dấu là "LD" bên dưới).

Dù cấu trúc này có vẻ rất cơ bản, việc chọn lựa linh kiện và bố trí là những thách thức chính. Tất cả các linh kiện phải được chọn lựa một cách cẩn thận vì nhiễu từ các linh kiện và bố trí sẽ kết hợp để xác định hình dạng xung, cũng như các vấn đề như rung hoặc tiếng ồn quá mức. Điều này bao gồm độ tự cảm trên tất cả các chân linh kiện, các đường mạch và mặt phẳng PCB. Phổ biến hơn là thay thế FET bằng một bộ khuếch đại; hãy chắc chắn rằng vòng phản hồi của bộ khuếch đại có độ tự cảm tối thiểu để ngăn chặn rung, nếu không bạn có thể thấy điều này được chồng chất trên đầu ra ánh sáng từ diode laser.

Bạn Có Cần Ghép Nối Trở Kháng?

Câu hỏi này liên quan đến jitter và hành vi của một diode laser như một thành phần tải không tuyến tính. Nếu bạn quen thuộc với chuỗi tín hiệu không tuyến tính, việc truyền tải công suất tối đa giữa một bộ khuếch đại công suất (hoạt động gần điểm bão hòa) và một tải không tuyến tính thường xảy ra khi có một sự không khớp trở kháng nhẹ. Lượng không khớp trở kháng chính xác được xác định bằng một kỹ thuật gọi là phân tích kéo tải.

Để đạt được lượng khớp trở kháng hoàn hảo, nối tiếp với diode laser, bạn sẽ cần phải bố trí một mạch khớp trở kháng. Thật không may, điều này có thể thêm vào độ tự cảm nhiễu mới tạo ra khả năng cho một dao động không đủ giảm trong mạch khuếch đại. Thay vào đó, chúng tôi chỉ lo lắng về việc cung cấp dòng điện có trở kháng thấp bằng cách thiết kế PDN phù hợp và chọn một bộ khuếch đại/FET cung cấp trở kháng đầu ra thấp cần thiết, thay vì cố gắng biến đổi trở kháng đầu vào sang một giá trị khác.

Phía Nhận

Ở phía nhận, xung lidar phản xạ/tán xạ được nhận bằng một mảng photodiode hoặc bộ phát hiện khác, và tín hiệu nhận được được sử dụng cho phép đo thời gian bay, có thể dễ dàng thực hiện với IC chuyển đổi thời gian sang số. Sau đó, tín hiệu nhận được ở mỗi góc phát xạ được gửi đến một ADC và được sử dụng để xây dựng bản đồ độ sâu từ các phép đo thời gian bay. Ở phía nhận, phép đo thời gian bay được thực hiện theo hai cách:

1. Bằng cách áp dụng điều chế tần số thấp cho bộ điều khiển và đo sự chênh lệch pha giữa dòng xung điều chế được điều khiển và nhận
2. Bằng cách đo trực tiếp thời gian giữa sự đến của các xung (thường với độ phân giải ~100 ps)

Vì jitter cộng vào theo quy luật bình phương, bạn cần loại bỏ jitter trước các giai đoạn khuếch đại ở cả phía phát và nhận. Các IC điều khiển điốt laser xung thường bao gồm một PLL phân số chuyển đổi một tín hiệu đồng hồ tham chiếu để phù hợp với tốc độ quét trong hệ thống. Tín hiệu đồng hồ được chuyển đổi sau đó được sử dụng ở phía nhận cho các phép đo thời gian bay và cho việc tuần tự hóa dữ liệu đầu ra từ ADC.

Xung so với CW

Lưu ý rằng chúng tôi đã tập trung vào bố cục mạch điều khiển điốt laser xung ở đây, nhưng một laser sóng liên tục (CW) có thể được vận hành như một laser xung. Tuy nhiên, nếu bạn dự định điều khiển một điốt laser CW như một điốt laser xung, bạn nên thu thập một phép đo tự tương quan để xác định độ rộng xung, điều này khó khăn nếu không có thiết bị quang học nhạy cảm và một giai đoạn trễ cơ khí tinh vi. Các laser CW điều chế sẽ có công suất đầu ra thấp hơn và có thể khó phát hiện hơn trong phép đo thời gian bay. Do đó, đừng có ý tưởng sáng chói nào và chỉ nên tuân theo các xung.

Điều Khiển Nhiệt Độ

Cuối cùng, công suất đầu ra từ một điốt laser và độ nhạy của bộ phát hiện ở phía nhận đều nhạy cảm với nhiệt độ. Nói chung, hiệu suất của một điốt laser và độ nhạy của bộ phát hiện đều giảm ở nhiệt độ cao hơn. Sự tăng nhiệt độ của cả hai thành phần là không thể tránh khỏi trong quá trình hoạt động, đòi hỏi một chiến lược quản lý nhiệt sáng tạo. Điều này có thể bao gồm một quạt làm mát nhỏ, nhưng theo ý kiến của tôi, một lựa chọn tốt hơn là sử dụng một tản nhiệt hoặc vật liệu nền có độ dẫn nhiệt cao và cố gắng tản nhiệt ra vỏ máy vì điều này sử dụng ít bộ phận chuyển động hơn.

Sử Dụng Công Cụ MCAD của Bạn

Mọi hệ thống quang học đều yêu cầu các dung sai cơ khí chính xác, và các diode laser xung cho hệ thống lidar cũng không ngoại lệ. Hệ thống lidar cho xe tự hành sẽ cần quay xung quanh toàn bộ xe để cung cấp hình ảnh chiều sâu của toàn bộ môi trường xung quanh. Các hệ thống khác có thể giữ nguyên vị trí, nhưng vẫn yêu cầu vị trí chính xác so với bất kỳ thành phần quang học nào khác trong các hệ thống này. Trong giai đoạn thiết kế bố trí, bạn nên sử dụng công cụ MCAD của mình để xác minh vị trí chính xác trên bảng mạch và trong vỏ của bạn.

Với các công cụ thiết kế và phân tích PCB mạnh mẽ trong Altium Designer^®, bạn sẽ có một giải pháp thiết kế điện cơ hoàn chỉnh lý tưởng cho việc xây dựng các hệ thống quang học và quang điện tử. Bạn cũng sẽ có quyền truy cập vào các công cụ tính toán độ tin cậy tín hiệu có thể giúp bạn giải quyết vấn đề khớp trở kháng giữa mạch điều khiển diode laser xung và diode của bạn.

Giờ đây, bạn có thể tải xuống bản dùng thử miễn phí của Altium Designer và tìm hiểu thêm về các công cụ thiết kế bố trí, mô phỏng và lập kế hoạch sản xuất tốt nhất trong ngành. Nói chuyện với một chuyên gia Altium ngày hôm nay để tìm hiểu thêm.