6 实现精确的激光脉冲控制

生成精确的激光脉冲需要的不仅仅是向二极管输送电流。驱动器必须提供具有快速边沿、可预测延迟和可重复脉冲振幅的高峰值电流。TI 的 LMH13000 高速激光驱动器通过将 V_SET 引脚上的输入电压转换为 I_OUT 处精确调节的灌电流来生成脉冲，如方程式 3所述。数模转换器 (DAC) 或基准源设置 V_SET，而器件的内部电流镜和控制电路调节通过激光二极管的电流，如图 3所示。通过仔细选择 V_SET、R_SET 和激光阳极偏置电压 (VLD)，设计人员可以调整脉冲幅度、时序和整体脉冲稳定性。

以下是设置脉冲电流和速度的设计步骤。

1. 定义目标输出电流 (I_OUT)。首先考虑激光二极管所需的光功率。方程式 3所示的是由激光器斜率效率设置的峰值输出电流：
   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 是所需的光输出功率，η 是激光器的斜率效率（瓦/安培）。例如，如果 P_OPT = 1W 且 η= 0.5W/A，则 I_OUT = 2A。

   由于 LMH13000 支持高达 5A 的脉冲电流，因此所选的激光二极管必须达到等于或低于此限值的目标光功率。精确设置 I_OUT 对于最大限度地减小 t_pp 和减少振幅驱动的时序误差至关重要。

2. 选择 R_SET 和 V_SET。LMH13000 使用 V_SET 与 R_SET 之比设置输出电流，按内部增益系数 k 缩放 (方程式 4)：
   方程式 4. ${\mathrm{I}}_{\mathrm{O}\mathrm{U}\mathrm{T}}=\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{S}\mathrm{E}\mathrm{T}}}{{\mathrm{R}}_{\mathrm{S}\mathrm{E}\mathrm{T}}}\times \mathrm{k}$

   在高电流模式下（模式 = 1），k ≈ 50k。例如，R_SET = 20kΩ 且 V_SET = 0.8V 时：

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

   可以通过使用 DAC 修整 V_SET 进行微调。由于 LMH13000 可调节片上电流，因此该方法能最大限度地降低了对温度和电源变化的灵敏度，有助于在时序余量范围内将 t_pp 保持在较小值。

3. 设置 VLD。VLD 必须足够高才能在快速电流转换期间支持所需的激光正向电压和动态电压。LMH13000 数据手册提供了方程式 5，以此作为尺寸指南：
   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 处的最小顺从电压
   • V_F 是 I_OUT 处的激光器正向电压
   • L 是总环路电感（封装和 PCB）
   • dI/dt 是根据上升和下降时间要求的电流压摆率（安培/秒）
   • R_LASER 是激光二极管的动态电阻
   • R_DAMP 是激光二极管的外部电阻

   例如，在：

   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

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

   因此，起始值为 17V 是合适的。增大 VLD 可提高边沿速度，但也可能导致过冲加剧，因此需要仔细调整。合理的选择 VLD 可确保快速转换，同时限制过冲，直接减小上升/下降时间 (t_r/f) 对整体总时序偏差 (t_total) 余量的影响。

4. 优化上升和下降时间及阻尼。驱动器的驱动能力与电路寄生参数共同决定了上升和下降时间。如果没有适当的阻尼，快速电流脉冲转换会在激光和 PCB 环路中激发振铃，从而导致过冲和不稳定的光脉冲。设计人员通常通过在 I_OUT 节点处添加阻尼电阻器和缓冲器网络来解决此问题。电阻器和缓冲器共同抑制寄生振铃，保留快速边沿并防止 t_r/f 不必要地增加 t_total。

   根据驱动器的输出电容选择缓冲器电容器，使用方程式 6进行计算：

   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 引脚处的有效电容。如果 C_IOUT = 40pF，则 C_SNUB ≈ 200pf。

   添加一个与激光器和缓冲器网络串联的小阻尼电阻器可抑制不必要的振荡。如图 4所示，R_DAMP 和 R_SNUB 的典型值在 5Ω 至 10Ω 范围内，缓冲器电容器的大小与输出节点电容相匹配。选择 C_SNUB 作为最坏情况（最高）的 C_IOUT，在验证期间进行修整以平衡过冲和边沿速度。如图 5所示，该方法减少快速转换和 PCB 寄生效应产生的振铃，同时保持精确脉冲控制所需的亚纳秒级 t_r/f。

   图 4 阻尼电阻器和缓冲器网络电路
   
   

   

   
   图 5 配有和未配有缓冲器电路或 R_DAMP 的 LMH13000 脉冲
5. 控制传播延迟。与上升和下降时间不同，传播延迟并无固定计算公式，而是取决于以下布局与接口规范：

• 输入路由。EP 引脚和 EN 引脚采用差分走线并匹配 100Ω 端接电阻，也可采用单端输入走线，在 LMH13000 输入端做受控阻抗设计并配置合适端接。
• 输出环路。使高电流 I_OUT 环路保持较短并与 PGND 紧密耦合，从而最大限度地减少电感延迟和振铃。
• 系统校准。在 ToF 测量余量中纳入驱动器至激光器通路，以补偿所有残余系统延迟。

如图 6所示，通过将布线电感降至最低并确保输入终端阻抗一致，可以减少 t_pd 的波动，从而使该项影响保持在较小且可预测的范围内。对于需要更高精度的应用，或者在基于温度的校准不切实际的情况下，LMH13000 数据手册的第 6.3.2 节介绍了一种通过直接监测激光台来生成高精度起始脉冲的技术。