6 實作精密雷射脈衝控制

產生精準的雷射脈衝不僅僅是將電流導入雷射二極體而已。驅動器必須具有快速邊緣，可預測延遲和可重複脈衝振幅來提供高峰值電流。TI 的 LMH13000 高速雷射驅動器透過將 V_SET 接腳的輸入電壓轉換為 I_OUT 端受精確調節的汲極電流來生成脈衝，如方程式 3 所述。數位類比轉換器 (DAC) 或參考電壓源來設定 V_SET，而裝置的內部電流鏡像和控制電路則會調節流經雷射二極體電流，如圖 3 中所示。謹慎選擇 V_SET，R_SET 與雷射陽極偏壓 (VLD)，設計人員可以調整脈衝振幅、時序與整體脈衝穩定性。

以下是設定脈衝電流與速度的設計步驟。

1. 定義目標輸出電流 (I_OUT)。從雷射二極體所需的光功率開始。方程式 3 表示由雷射斜率效率設定的峰值輸出電流：
   方程式 3. ${\mathrm{I}}_{\mathrm{O}\mathrm{U}\mathrm{T}}=\frac{{\mathrm{P}}_{\mathrm{O}\mathrm{P}\mathrm{T}}}{\mathrm{\eta }}$

   其中，P_OPT 是所需的光學輸出功率，η 則為雷射的斜率效率（單位為 W/A）。例如，若 P_OPT = 1W，且 η = 0.5W，則 I_OUT = 2A。

   由於 LMH13000 支援最高 5A 的脈衝電流，因此所選雷射二極體必須達到或低於此限制的目標光學功率。準確設定 I_OUT 對於最小化 t_pp 和減少振幅驅動的時序誤差非常重要。

2. 選擇 R_SET 與 V_SET。LMH13000 使用 V_SET 與 R_SET 之比率，並乘以內部增益係數 k 來設定輸出電流 (方程式 4)：
   方程式 4. ${\mathrm{I}}_{\mathrm{O}\mathrm{U}\mathrm{T}}=\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{S}\mathrm{E}\mathrm{T}}}{{\mathrm{R}}_{\mathrm{S}\mathrm{E}\mathrm{T}}}\times \mathrm{k}$

   在高電流模式 (MODE = 1) 下，k ≈ 50k。例如，當 R_SET = 20kΩ，且 V_SET = 0.8V 時：

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

   可以透過 DAC 微調 V_SET 進行精細調整。由於 LMH13000 在晶片內部進行電流調節，因此，此方法可將對溫度和電源變化的靈敏度降至最低，有助於在時序預算內維持較小的 t_pp。

3. 設定 VLD。VLD 必須足夠高，以支援雷射二極體的順向電壓，以及在快速電流轉換期間所需的動態電壓。LMH13000 產品規格表提供方程式 5 作為設計參考準則：
   方程式 5. $\mathrm{V}\mathrm{L}\mathrm{D}={\mathrm{V}}_{\mathrm{O}\mathrm{U}\mathrm{T}\left(\mathrm{M}\mathrm{I}\mathrm{N}\right)}+{\mathrm{V}}_{\mathrm{F}}\mathrm{L}\times \frac{\mathrm{d}\mathrm{I}}{\mathrm{d}\mathrm{t}}+{\mathrm{I}}_{\mathrm{O}\mathrm{U}\mathrm{T}}\times \left({\mathrm{R}}_{\mathrm{L}\mathrm{A}\mathrm{S}\mathrm{E}\mathrm{R}}+{\mathrm{R}}_{\mathrm{D}\mathrm{A}\mathrm{M}\mathrm{P}}\right)$

   其中：

   • V_IOUT 是 I_OUT 的最小合規電壓
   • V_F 是雷射在 I_OUT 下的順向電壓
   • L 為總迴路電感（封裝與 PCB）
   • dI/dt 是來自上升和下降要求的電流電壓轉換速率（單位：安培/秒）
   • R_LASER 是雷射二極體的動態電阻
   • R_DAMP 是雷射二極體的外部電阻

   例如，假設條件如下：

   VIOUT（最小值）= 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

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

   因此，起始值為 17V 是合適的。提高 VLD 可加快邊緣速度，但同時也會增加過衝，因此需要謹慎調整。適當選擇 VLD 可確保快速轉換的同時限制過衝，直接減少升降時間 (t_r/f) 對整體總時序變化 (t_total) 預算的影響。

4. 將升降時間和阻尼最佳化。升降時間同時受到驅動能力與電路寄生效應的限制。若未加入適當阻尼，快速電流脈衝轉換可能會激發雷射和 PCB 迴路中的振鈴，進而造成過衝和不穩定的光學脈衝。設計人員通常會在 I_OUT 節點增加阻尼電阻器和減震器網路來解決此問題。電阻器和減震器可共同抑制寄生振鈴，保持快速邊緣，並防止 t_r/f 不必要地增加 t_total。

   依據驅動器的輸出電容選擇減震電容器，計算公式如方程式 6：

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

   其中 C_IOUT 是 I_OUT 接腳的有效電容。若 C_IOUT = 40pF，則 C_SNUB ≈ 200pf。

   加入小型阻尼電阻器，與雷射和減震器網路串聯，可抑制不必要的振盪。如圖 4 中所示，R_DAMP 和 R_SNUB 的典型值在 5Ω 至 10Ω 範圍內，而減震電容器尺寸則適合輸出節點電容。為最差（最高）的 C_IOUT 選擇 C_SNUB，在驗證期間微調，以平衡過衝與邊緣速度。如圖 5 所示，此方法可減少快速轉換和 PCB 寄生的振鈴，同時維持精準脈衝控制所需的次奈秒 t_r/f。

   圖 4 阻尼電阻器與減震器網路電路
   
   

   

   
   圖 5 有或無減震器電路或 R_DAMP 之 LMH13000 脈衝比較
5. 控制傳播延遲。與升降時間不同，傳播延遲不是由公式定義，而是取決於以下佈線圖和介面實務：

• 輸入走線。對具有 100Ω 終端的 EP 接腳和 EN 接腳使用差動走線，或者使用受控阻抗的單端走線，並在 LMH13000 的輸入端進行適當端接。
• 輸出迴路。保持高電流 I_OUT 迴路短路並與 PGND 緊密耦合，以將電感延遲與振鈴降至最低。
• 系統校準。將驅動器雷射路徑納入 ToF 測量預算，以考量系統中殘留的延遲。

如圖 6 中所示，最小化走線電感並確保輸入端接一致，可減少 t_pd 的變化，使其影響維持在較小且可預期的範圍內。對於需要更高準確度，或不適合以溫度為基礎進行校準的應用，LMH13000 產品規格表的 6.3.2 章節提供了一種透過直接監控雷射階段產生高精度啟動脈衝的技術。