6 정밀한 레이저 펄스 제어 구현

정확한 레이저 펄스를 생성하려면 단순히 다이오드에 전류를 공급하는 것 이상의 기술이 필요합니다. 드라이버는 빠른 에지, 예측 가능한 지연 및 재현성 있는 펄스 진폭을 갖춘 높은 피크 전류를 공급해야 합니다. TI의 LMH13000 고속 레이저 드라이버는 V_SET 핀의 입력 전압을 I_OUT에서 정밀하게 제어된 싱크 전류로 변환하여 펄스를 생성하며, 이는 방정식 3에 설명된 바와 같습니다. DAC(디지털-아날로그 컨버터)또는 레퍼런스 소스는 V_SET를 설정하고, 장치의 내부 전류 미러 및 제어 회로는 그림 3에 나와 있는 것처럼 레이저 다이오드를 통해 전류를 조정합니다. 설계자는 V_SET, R_SET 및 레이저 양극 바이어스 전압(VLD)을 신중하게 선택함으로써 펄스 진폭, 타이밍 및 전체 펄스 안정성을 조정할 수 있습니다.

다음은 펄스 전류 및 속도 설정을 위한 설계 단계입니다.

1. 대상 출력 전류(I_OUT)를 정의합니다. 레이저 다이오드에 필요한 광학 전력을 먼저 파악합니다. 방정식 3은(는) 레이저의 기울기 효율에 의해 설정된 피크 출력 전류를 나타냅니다:
   방정식 3. ${\mathrm{I}}_{\mathrm{O}\mathrm{U}\mathrm{T}}=\frac{{\mathrm{P}}_{\mathrm{O}\mathrm{P}\mathrm{T}}}{\mathrm{\eta }}$

   여기서 P_OPT는 원하는 광학 출력 전력이고 η는 레이저의 기울기 효율(암페어당 와트)입니다. 예를 들어, P_OPT = 1W 및 η = 0.5W/A인 경우 I_OUT = 2A입니다.

   LMH13000 은 최대 5A의 펄스 전류를 지원하므로 선택한 레이저 다이오드는 이 한도 이하에서 목표 광학 전력을 달성해야 합니다. I_OUT을 정확하게 설정하는 것은 t_pp를 최소화하고 진폭에 따른 타이밍 오류를 줄이기 위해 매우 중요합니다.

2. R_SET 및 V_SET를 선택합니다. LMH13000은 V_SET과 R_SET의 비율을 사용하여 출력 전류를 설정하며, 이는 내부 게인 계수인 k(방정식 4)에 의해 스케일링됩니다.
   방정식 4. ${\mathrm{I}}_{\mathrm{O}\mathrm{U}\mathrm{T}}=\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{S}\mathrm{E}\mathrm{T}}}{{\mathrm{R}}_{\mathrm{S}\mathrm{E}\mathrm{T}}}\times \mathrm{k}$

   고전류 모드(MODE = 1)에서 k ≈ 50k입니다. 예를 들어, R_SET = 20kΩ 및 V_SET = 0.8V인 경우:

   ${\mathrm{I}}_{\mathrm{O}\mathrm{U}\mathrm{T}}=\frac{0.8}{20\mathrm{k}}\times 50\mathrm{k}\approx 2.0\mathrm{A}$

   DAC를 사용하여 V_SET을 트리밍함으로써 미세 조정이 가능합니다. LMH13000 은 전류를 온칩으로 조정하기 때문에, 이러한 방식은 온도 및 공급 변동에 대한 민감도를 최소화하여 타이밍 여유 내에서 t_pp를 작게 유지하는 데 도움이 됩니다.

3. VLD를 설정합니다. VLD는 빠른 전류 전환 중에 필요한 레이저 순방향 전압 및 동적 전압을 지원할 수 있을 만큼 충분히 높아야 합니다. LMH13000 데이터 시트는 방정식 5을(를) 크기 조정 지침으로 제공합니다:
   방정식 5. $\mathrm{V}\mathrm{L}\mathrm{D}={\mathrm{V}}_{\mathrm{O}\mathrm{U}\mathrm{T}\left(\mathrm{M}\mathrm{I}\mathrm{N}\right)}+{\mathrm{V}}_{\mathrm{F}}\mathrm{L}\times \frac{\mathrm{d}\mathrm{I}}{\mathrm{d}\mathrm{t}}+{\mathrm{I}}_{\mathrm{O}\mathrm{U}\mathrm{T}}\times \left({\mathrm{R}}_{\mathrm{L}\mathrm{A}\mathrm{S}\mathrm{E}\mathrm{R}}+{\mathrm{R}}_{\mathrm{D}\mathrm{A}\mathrm{M}\mathrm{P}}\right)$

   여기서:

   • V_IOUT은 I_OUT에서 최소 규격 준수 전압입니다
   • V_F는 I_OUT에서 레이저의 순방향 전압입니다
   • L은 전체 루프 인덕턴스(패키지 및 PCB)입니다
   • dI/dt는 상승 및 하강 요구 사항으로 인한 전류 회전율(초당 암페어)입니다
   • R_LASER는 레이저 다이오드의 동적 저항입니다
   • R_DAMP는 레이저 다이오드의 외부 저항입니다

   예를 들면 다음과 같습니다:

   VIOUT(MIN) = 6V

   VF = 2V

   L = 3nH

   $\frac{\mathrm{d}\mathrm{I}}{\mathrm{d}\mathrm{t}}=\frac{2\mathrm{A}}{1\mathrm{n}\mathrm{s}}=2\times 109\mathrm{A}/\mathrm{s}$

   RLASER = 0.3Ω

   RDAMP = 1Ω

   $\mathrm{V}\mathrm{L}\mathrm{D}\approx 6+2+\left(3\times {10}^{-9}\right)\left(2\times {10}^9\right)+2\left(0.3+1.0\right)\approx 16.6\mathrm{V}$

   따라서 시작 값으로는 17V가 적합합니다. VLD를 높이면 에지 속도가 향상되지만 오버슈트가 증가할 수 있으므로 신중한 튜닝이 필요합니다. 적절한 VLD를 선택하면 오버슈트를 제한하면서 빠른 전환을 보장하여 전체 총 타이밍 변화 (t_total) 여유에 대한 상승 및 하강 시간(t_r/f) 기여도를 직접 줄일 수 있습니다.

4. 상승 및 하강 시간과 댐핑을 최적화합니다. 드라이버 성능과 회로 파생 성분 모두 상승 및 하강 시간에 영향을 미칩니다. 적절한 댐핑 없이 빠른 전류 펄스 전환은 레이저와 PCB 루프에서 링잉을 발생시켜 오버슈트와 불안정한 광학 펄스가 발생할 수 있습니다. 설계자는 일반적으로 I_OUT 노드에 댐핑 저항기와 스너버 네트워크를 추가하여 이 문제를 해결합니다. 저항기와 스너버가 함께 파생 링잉을 억제하고, 빠른 에지를 유지하며, t_r/f가 불필요하게 t_total을 증가시키지 않도록 방지합니다.

   방정식 6를 사용하여 계산된 드라이버의 출력 커패시턴스를 기반으로 스너버 커패시터를 선택합니다:

   방정식 6. ${\mathrm{C}}_{\mathrm{S}\mathrm{N}\mathrm{U}\mathrm{B}}\approx 5\times {\mathrm{C}}_{\mathrm{I}\mathrm{O}\mathrm{U}\mathrm{T}}$

   여기서 C_IOUT은 I_OUT핀의 유효 커패시턴스입니다. C_IOUT = 40pF인 경우 C_SNUB ≈ 200pf입니다.

   레이저 및 스너버 네트워크와 직렬로 작은 댐핑 저항을 추가하면 원치 않는 진동이 억제됩니다. 그림 4에서 보듯이, R_DAMP 및 R_SNUB의 일반적인 값은 5Ω ~ 10Ω 범위이며, 스너버 커패시터는 출력 노드 커패시턴스에 맞춰 크기가 결정됩니다. 최악의 경우(최고) C_IOUT을 기준으로 C_SNUB을 선택하고, 검증 과정에서 이를 트리밍하여 오버슈트와 에지 속도 사이의 균형을 맞춥니다. 그림 5에서 볼 수 있듯이, 이 접근 방식은 빠른 전환과 PCB 파생으로 인한 링잉을 줄이는 동시에 정밀한 펄스 제어에 필요한 서브 나노초 수준의 t_r/f를 유지합니다.

   그림 4 댐핑 저항 및 스너버 네트워크 회로
   
   

   

   
   그림 5 스너버 회로 또는 R_DAMP 유무에 따른 LMH13000 펄스
5. 전파 지연을 제어합니다. 상승 및 하강 시간과 달리 전파 지연은 특정 공식으로 정의되지 않으며 레이아웃 및 인터페이스 방식에 따라 달라집니다:

• 입력 라우팅. 100Ω 종단이 있는 EP 핀 및 EN 핀에 차동 라우팅을 사용하거나, LMH13000 입력부에서 제어된 임피던스와 적절한 종단을 적용한 단일 종단 입력을 라우팅합니다.
• 출력 루프. 고전류 I_OUT 루프를 짧게 유지하고 PGND와 긴밀하게 결합하여 유도성 지연과 링잉을 최소화합니다.
• 시스템 교정. ToF 측정 여유에 드라이버-레이저 경로를 포함하여 잔류 시스템 지연을 반영합니다.

그림 6에서 보듯이, 트레이스 인덕턴스를 최소화하고 일관된 입력 종단을 보장하면 t_pd의 변화를 줄여 이러한 기여도를 적고 예측 가능한 수준으로 유지할 수 있습니다. 훨씬 더 높은 정확도가 필요하거나 온도 기반 교정이 실용적이지 않은 애플리케이션의 경우 LMH13000 데이터시트의 섹션 6.3.2에서는 레이저 단계를 직접 모니터링하여 고정밀 시동 펄스 생성 기술을 제공합니다.