Разработка 2-наносекундного излучателя лидара. Тестовое задание от Яндекс.Беспилотники

Это рассказ о том, как потратить 3 недели на тестовое задание от работодателя мечты и провалить второй тур собеседования. Несмотря на то, что работу я не получил, тестовое задание оказалось испытанием, с которым я справился, попутно вынеся для себя несколько важных уроков.

Теперь ближе к сути. Само тестовое задание выглядело вот так:

"Вам необходимо разработать плату излучателя на основе полупроводникового лазера Osram SPL S4L90A_3 A01 с 4 излучающими чипами. Момент начала лазерного импульса задается с внешнего устройства single ended прямоугольным сигналом c активным уровнем 1.8 В длительностью 1 мкс и частотой 100 кГц (рассчитан на высокоомную нагрузку). Выбор активного излучающего чипа осуществляется в параллельном коде двухбитной шиной с внешнего устройства single ended прямоугольными сигналами с активным уровнем 1.8 В (в один момент времени активен только один излучающий чип).

Плата должна удовлетворять следующим требованиям:

- излучающие поверхности чипов расположены не далее 0.5 мм от края платы;

- импульсный ток излучающих чипов 40 А;

- длительность оптического импульса не более 2 нс FWHM;

- к плате с внешнего устройства подводится не более двух внешних напряжений питания (можно выбрать необходимые уровни);

- плата формирует выходной электрический сигнал, повторяющий форму импульса тока излучающего чипа для внешних устройств уровнем 1.8 В (нагрузка 50 Ом);

- плата имеет не более 4 слоев, габариты платы не превышают 50х30 мм, толщина не более 2 мм, общая высота платы с компонентами не более 6 мм, предпочтителен односторонний монтаж компонентов.

Пожалуйста, с помощью ссылки приложите проект Altium Designer или PDF-файл электрической схемы, гербер-файлы и STEP-модель платы. Обоснуйте выбор схемных решений, элементной базы, топологии и стека платы. "

Зачем вообще нужно данное устройство? Лидары в автомобильной индустрии используются для построения окружающей картины в 3D. Выглядит это примерно так:

Если присмотреться, картинка состоит из точек. Так вот каждая точка - это целый цикл измерения в одной точке расстояния до объекта, который происходит по следующему алгоритму: испускание пучка света → отражение света → улавливание отраженного света фотоприемником → вычисление расстояния до объекта через время прохождения луча.

Для разработки платы вывел для себя несколько постулатов:

• Столь малая длительность оптического импульса обеспечит определение гораздо большего максимального расстояния и повысится точность самого устройства.

• Так как габариты платы строго ограничены, полагаю, что плата будет устанавливаться в реальное транспортное средство, а не в лабораторный стенд. Как следствие, компонентная база должна быть квалификации AEC (Automotive).

• Формирование сигнала, которое повторяет форму импульса тока излучающего чипа необходимо для косвенного контроля мощности испускаемого импульса.

• Сигналы уровнем 1.8 В характерны для управляющих FPGA устройств.

Системное питание (System Supply)

Система питания состоит из двух преобразователей напряжения:

• 5 В DC/DC собран на импульсном понижающем преобразователе для большей отдачи импульсного тока в микросхемы управления (в частности драйвер управляющего ключа). За счет этого решения также обеспечивается высокий КПД схемы.

• 1.8 В LDO питает микросхему трансляции уровня логических сигналов управления 1.8 В -> 5 В.

  

Трансляция уровня (Level Translator)

Используется для приведения сигналов выбора активного чипа, а также сигнала начала импульса к уровню 5В, так как вся дальнейшая периферия управляется 5-вольтовыми сигналами.

Декодирование (Decoder)

Для коммутации определенного канала из четырех используется декодер. Выход имеет активный низкий уровень, так что для управления схемой коммутации, которая управляется высоким уровнем, используется инвертор. Входы инвертора подтянуты к шине 5В для исключения ложных срабатываний при включении схемы/аварийных режимов работы схемы.

Схема управления ключом (GaNFET Driver)

В процессе поиска информации стало ясно, что обеспечить требуемую скорость открытия транзистора для пропускания короткого импульса тока через лазер сможет только транзистор, у которого максимальный di/dt (т.е. скорость открытия транзистора должна быть очень высока). Для схем управления лазерами с длительностью оптического импульса более 10нс обычно использовались кремниевые полевые транзисторы. Полевые транзисторы на основе нитрида галлия (GaNFET) позволяют достичь ширины импульса 2нс, так как по сравнению с кремниевыми транзисторами имеют большую скорость открытия, и меньшую емкость затвора. Таким образом, накачка импульса драйвером в затвор будет происходить за меньшее время, что быстрее выведет транзистор в рабочий режим, способный пропустить через сток транзистора 40А за время 2нс.

Поэтому в качестве переключающего элемента был выбран GaNFET EPC2214 фирмы EPC, обеспечивающий максимальный импульсный ток более 40 А, а так же имеющий автомобильную сертификацию. В качестве драйвера был выбран LMG1025-Q1 от производителя Texas Instruments, обеспечивающий управление этим транзистором в полосе узких импульсов.

Укоротитель импульсов

Так как ширина прямоугольного импульса с выхода FPGA имеет фиксированное значение 1мкс, необходимо укоротить импульс до безопасных для самого лазера величин. Даже если бы FPGA имела бы возможность переключения импульса в 2 нс, было бы проблематично обеспечить целостность данного сигнала на пути к драйверу.

Так как используется релаксационная схема, которая самостоятельно формирует импульс величиной 2нс, совершенно необязательно формировать короткий импульс величиной в 2 нс укоротителем импульсов. За базис было взято значение 5-9нс, в расчет приняты возможные отклонения номиналов схемы укоротителя.

Схема построена на одном из двух оставшихся инвертеров в микросхеме 6-канального инвертера для сигналов декодирования. Неинвертированный сигнал длительностью 1мкс подается на вход IN+ драйвера управления (активный уровень высокий). Инверсный же сигнал заводится на выход IN- микросхемы драйвера (активный уровень низкий). Схема управления драйвером даст сигнал на открытие управляющего транзистора только в том случае, если на входе IN+ будет высокий уровень, а на входе IN- - низкий. За счет фильтра нижних частот R10-C12, фронт неинвертированного управляющего сигнала будет медленно нарастать, что компенсирует задержку на инвертере импульса, подающегося на вход IN-. Затем, комбинация входных порогов срабатывания микросхемы драйвера так же приведет к открытому состоянию и затем закрытому через несколько наносекунд. Схема была промоделирована в LTSpice. Значение конденсатора C18 может быть увеличено до 100 пФ, что приведет к уменьшению ширины результирующего импульса до 3-5 нс в реальном устройстве.

4-х канальная коммутация (SPST switch)

Так как сам полупроводниковый лазер имеет общий катод, то коммутацию каждого из четырех каналов лазерного диода можно было бы делать со стороны анода, используя четыре p-канальных транзистора (и соответствующих драйверов верхнего плеча). Проблема заключается в том, что компонентной базы для данного применения нет. Еще одной проблемой было бы то, что p-канальные транзисторы нормально открытые, то есть через них течет ток в отсутствии управляющего сигнала на затворе, что мешает надежности устройства при наличии напряжения на силовой части и отсутствующем напряжении на слаботочном разъеме.

В качестве устройства коммутации выбрано твердотельное реле, или аналоговый ключ. Дополнительной особенностью является то, что сопротивление его в открытом состоянии равна 10 Ом, что позволяет не использовать дополнительные компоненты для ограничения тока.

Схема формирования короткого импульса (Relaxation scheme)

В схемах управления полупроводниковым лазером применяется следующая структура:

Процесс испускания импульса состоит из двух фаз.

1. Заряд накопителя энергии.

2. Разряд накопителя через лазерный диод и измеритель тока.

Для формирования короткого импульса необходимо запасти достаточный заряд, чтобы при открытии транзистора он прошел через кристалл лазера. Для того, чтобы запасти энергию обычно используют конденсатор, или несколько конденсаторов, подключенных параллельно. В системах управления лазером обычно используют два вида организации хранения запасенной энергии. Первый путь - запасти большое значение заряда в конденсаторы большой емкости. В период, когда транзистор открыт и через него течет ток, энергия почти не будет падать, а следовательно, и напряжение на конденсаторе. Транзистор должен просто включаться и выключаться в заданный интервал времени для ограничения ширины импульса. Однако эта схема ограничена по скорости переключения импульса и его ширине. Задача передачи ультракоротких импульсов управления сложна и связана с искажением сигнала, а также варьированием ширины импульса. Другой опцией хранения энергии будет выбор конденсатора малой емкости. В момент открытия
транзистора, конденсатор быстро отдает заряд и почти полностью разряжается, генерируя короткий импульс, мощность и время разряда которого подходят для использования в рамках требований.

В идеальном случае конденсатора емкостью около 1.2 нФ хватит для того, чтобы сгенерировать импульс шириной чуть более 600 пикосекунд при результирующем токе 40 А. Причем, длительность сигнала, управляющего GaNFETом, гораздо больше - 11 нс.

Так как в реальной жизни есть паразитные составляющие (в нашем случае, особенно, индуктивные), то это будет влиять на форму, амплитуду и ширину импульса. Смоделируем процесс, добавив паразитные индуктивности компонентов. Ширина импульса выросла до 1.2 нс, вместе с тем амплитуда тока упала до 29 А при таком же напряжении питания (за базис взято значение 27В), так как в цепях с индуктивностями ток не может меняться столь быстро, как в идеальной, что не дает конденсатору передать весь заряд в короткое время.

Как следствие, необходимо увеличить емкость конденсатора для того, чтобы достичь величины тока через диод в 40А. Значение должно быть около 3-5 нФ. Выбран однослойный конденсатор из-за его частотных характеристик и низкого ESR (паразитное последовательное сопротивление). Конечно, еще очень многое будет зависеть от правильности топологии платы и выбранного стека. Остановимся на величине 4.7 нФ. Теперь ширина импульса при токе 40 А равняется 1.9 нс.

Схема измерения тока (Differentiator)

Огромной проблемой подобного рода схем управления коротким импульсом является измерение тока, проходящего через диод. Привычные методы измерения тока не работают в данных условиях. Этому две причины:

• Сенсору требуется высокая частота пропускания, так как скорость возрастания импульса тока (di/dt) превышает 10 А/нс;

• Системы с GaNFET транзистором очень чувствительны к паразитном составляющим, следовательно вводимая паразитная индукция должна быть менее 1 нГн для того, чтобы сохранить исходную форму тока.

В низкочастотных схемах обычно применяют токовый шунт на истоке транзистора. Данное решение не подойдет в силу того, что паразитные эффекты самого шунта неблагоприятно воздействуют на схему, при этом падает максимальный ток через диод, увеличивается время импульса, появляются большие помехи в линиях после открытия и закрытия транзистора. Лучший из найденных коммерчески доступных токовых шунтов имел индуктивность 2 нГн, что в корне не подходит для текущей схемы. Опять же, их полоса пропускания ограничена 200 МГц.

Коаксиальные шунты, например, хоть и имеют полосу пропускания в районе 2 ГГц, все же не подходят в силу громоздкости и паразитной индуктивности около 2 нГн. Несмотря на то, что ведутся исследования, целью которых стоит разработать SMD коаксиальные шунты, коммерческих образцов все еще нет на рынке.
Сенсоры, базирующиеся на эффекте индукции (токовые трансформаторы), такие как, к примеру, катушка Роговского, не подходят по размерам и частоте пропускания (менее 50 МГц) для текущего применения.
Датчики, основанные на эффекте Холла ограничены по полосе пропускания около 1 МГц, а также подвержены магнитным помехам.
В текущий момент Бристольским университетом разрабатываются так называемые ∞-сенсоры (infinity-sensor), названные из-за своей формы. Датчик представляет собой планарную катушку Роговского, где два оставшихся витка расположены по обе стороны проводника. В научных работах, данный датчик подходит по параметрам для того, чтобы измерять ток стока GaNFET транзистора для подобных технических решений.

К сожалению, дополнительной информации об использовании данного датчика, а также его размеры и характеристики получены не были, хотя разработчик сенсора в личной беседе подтвердил, что образцы можно было бы отправить почтой. Поэтому решение было оставлено в качестве запасного на структурной схеме.

В предложенной реализации токового сенсора был использован другой принцип измерения тока - это измерять напряжение разряда конденсатора. Так как ток является дифференциалом напряжения по времени, или I=-dU/dt, то измеряя напряжение разряда конденсатора в момент открытия транзистора, можно конвертировать его в ток. Принципиально, это можно сделать с помощью схемы дифференциатора на операционном усилителе.

Дифференциатор построен на базе трансимпедансного усилителя (операционного усилителя с токовой обратной связью), за счет чего возможно достичь приемлемых частотных характеристик благодаря быстродействию данных устройств.

Для задания был выбран счетверенный трансимпедансный усилитель LTC6561, применяемый для лавинных фотодиодов в приемнике, только входной сигнал в данном случае - это напряжение разряда. Как можно увидеть частота среза спроектированного усилителя – 1,15 ГГц

Соответственно, если подать на его вход напряжение конденсатора, то видим, что форма совпадает с формой тока на диоде:

Уровень пиков напряжения на выходе усилителя также зависит от пиков тока, что подтверждает целесообразность выбранного решения.

Выбор стека печатной платы

Разработка печатной платы велась, принимая во внимание тот факт, что сама плата так же является компонентом электрической схемы, внося паразитные эффекты в высокочастотную часть. Негативные воздействия были минимизированы так, чтобы характеристики устройства были максимально приближены к характеристикам модели.

Структура печатной платы выбрана по следующим рекомендациям:

• Сигнальный слой всегда сопровождается слоем меди, расположенным как можно ближе к нему. Слой отражения уменьшает площадь петли, образованной прямым и возвратными токами.

• Слои питания и земли располагаются как можно ближе друг к другу для обеспечения максимальной взаимной емкости и уменьшения уровня шумов по цепи земли.

Рекомендации о том, что необходимо размещать высокоскоростные цепи на внутренних слоях, расположенных между сплошными слоями, которые будут выступать в качестве экранов, не были приняты во внимание, так как по условиям ТЗ в плате должно быть не более 4-х слоёв, а так же была цель минимизации переходных отверстий в силовой части.

Наличие сплошных плоскостей земли и питания упрощает подключение компонентов схемы, а также уменьшает индуктивность и импеданс, что позволяет работать с высокими рабочими частотами и снизить уровень собственных шумов.

Размеры плоскости земли обязательно должны превышать размеры плоскости питания по всем направлениям для минимизации краевых полей. Дальнейшее снижение достигнуто за счет использования развязывающей стенки из переходных отверстий по внешнему периметру полигонов VCC1, VCC2, +5V.

Переходные отверстия.

Так как в сигнальных цепях переходные отверстия представляют собой индуктивность порядка 0,5 нГн, то целью обеспечения оптимальной топологии будет уменьшение количества переходных отверстий, особенно в силовых цепях. Поэтому размещение компонентов целиком выполнено на верхнем слое, компоненты расположены таким образом, чтобы избегать перекрестий сигнальных линий.

Стек можно было бы пересмотреть после сборки прототипа, если были бы выдвинуты дополнительные требования к ЭМС совместимости.

Исходя из этого, структура платы будет следующая:

1. Сигнальный слой - 1;

2. Земляной слой на слое спроектировано три полигона - PGND-силовой, AGND-аналоговый, SGND-сигнальный, или цифровой);

3. Слой питания, два полигона силовой части и цифровой;

4. Сигнальный слой - 2;

Согласование земляных полигонов: аналоговая земля соединяется в одной точке с сигнальной через резистор 0 Ом, силовая часть соединяется с сигнальной в одной точке одним выводом истока управляющего транзистора VT1. Согласование же аналоговой земли и силовой для минимизации курсирования обратных токов в обход пути протекания высокочастотных сигналов выполнено посредством конденсатора 0,1 мкФ.

Это все, что я хотел рассказать в рамках текущей статьи. Спасибо за чтение. Сами файлы проектирования, если кому-нибудь интересно, лежат тут.