يمكن لجهاز تحديد المدى بالليزر أن يرسل نبضة نظيفة ومع ذلك يخطئ القياس إذا لم يتمكن مستقبله من فصل الإشارة المرتجعة الضعيفة عن الضوضاء. وهذا يجعل الكاشف مهمًا، لكن مواصفات الكاشف بحد ذاتها لا تخبرك ما إذا كان نظام تحديد المدى الكامل سيعمل.
يمكن أن يكون خيارًا عمليًا عندما لا يمكن لرأس القياس ووحدة التحكم المضيفة مشاركة اتصال قصير وهادئ. تساعد الإشارات التفاضلية المستقبل على الاستجابة لفرق الجهد بين الموصلات المزدوجة بدلاً من الاعتماد على أي موصل بمفرده. والنتيجة هي طبقة اتصال أكثر مرونة عندما يتم التعامل مع توجيه الكابلات وتخطيط العلبة وانضباط التركيب بشكل صحيح. جهاز تحديد المدى بالليزر باستخدام الصمام الثنائي الضوئي الانهياري يستخدم APD في المستقبل البصري لتحويل الضوء المرتجع إلى تيار كهربائي ومضاعفة ذلك التيار داخليًا. يمكن للتضخيم المضاف أن يرفع الإشارات المرتجعة الضعيفة فوق الضوضاء الإلكترونية اللاحقة، لكنه يقدم أيضًا ضوضاء زائدة، ومتطلبات انحياز عالٍ، وحساسية لدرجة الحرارة، وقيود استرداد يجب تصميمها في المستقبل الكامل.
كيف يستخدم جهاز تحديد المدى بالليزر باستخدام الصمام الثنائي الضوئي الانهياري التضخيم الداخلي
في جهاز تحديد المدى النبضي، تجمع البصريات المستقبلة جزءًا صغيرًا من الضوء المتناثر عائدًا من الهدف. يرفض المرشح البصري الضوء الخلفي خارج النطاق، ويحوّل الكاشف الفوتونات المتبقية إلى شحنة. ثم تقوم إلكترونيات المستقبل بتضخيم النبضة الكهربائية والتحقق من صلاحيتها قبل أن تقدّر دائرة التوقيت الفاصل الزمني بين الإرسال والاستقبال.
يغيّر APD الخطوة الكهربائية الأولى. الفوتون الممتص في الجهاز يخلق زوجًا من إلكترون-ثقب. تحت مجال كهربائي عكسي قوي، يمكن لحامل الشحنة أن يكتسب طاقة كافية لخلق حاملات إضافية من خلال التأين التصادمي. ينتج عن التضاعف المتكرر إشارة كهربائية أكبر من التيار الضوئي الأولي الأصلي.
هذا هو تضخيم الانهيار في الوضع الخطي، وليس حساب تحديد المدى الكامل. لا يعرف APD مسافة الهدف. إنه يوفر تمثيلًا كهربائيًا للإشارة المرتجعة؛ يحدد مضخم المقاومة الانتقالية، والترشيح، ومرحلة العتبة أو الكسر الثابت، ودوائر التحويل الزمني إلى رقمي، والبرنامج الثابت ما إذا كانت الإشارة المرتجعة مقبولة وكيف يصبح توقيتها تقديرًا للمسافة. دليلنا إلى طرق زمن الطيران المباشرة وغير المباشرة يشرح لماذا يختلف مسار الإشارة اللاحق مع معمارية تحديد المدى.
تضخيم الانهيار يساعد فقط عندما يستخدمه المستقبل جيدًا
التضخيم الداخلي قيّم لأنه يحدث قبل إضافة معظم الضوضاء الإلكترونية اللاحقة. إذا كان التيار الضوئي الأولي أقل من نطاق الإدخال المفيد للمضخم، يمكن للتضاعف الانهياري المعتدل أن يحسّن نسبة الإشارة إلى الضوضاء في المستقبل.
المزيد من التضخيم ليس أفضل تلقائيًا. التضاعف الانهياري إحصائي، لذا يضيف ضوضاء زائدة. كما تستغرق عملية التضاعف وقتًا، بينما تؤثر مساحة الكاشف، وسعة الوصلة، والطفيليات الناتجة عن التغليف، ودخل TIA على عرض النطاق وشكل النبضة. عند مستويات الإرجاع العالية، يمكن للكاشف أو المضخم أن ينضغط أو يشبع، مما يؤخر الاسترداد قبل الإشارة المرتجعة القابلة للاستخدام التالية.
لذلك فإن الهدف العملي هو نقطة تشغيل للمستقبل الكامل، وليس أعلى رقم في جدول APD. يسأل مراجعة التصميم المفيدة ما إذا كان التضخيم يرفع أضعف إشارة مرتجعة محددة فوق مستوى ضوضاء الإلكترونيات مع الحفاظ على عرض النطاق الزمني، والمنطقة الخطية، والاسترداد اللازم للتطبيق. هامش المستقبل هذا هو جزء واحد فقط من ميزانية الوصلة الأوسع الموصوفة في دليلنا إلى أقصى مدى لمحدد المدى بالليزر.
درجة الحرارة تجعل التحكم في الانحياز جزءًا من سلسلة القياس
يتغير تضخيم APD بشكل حاد مع الانحياز العكسي بالقرب من الانهيار، كما يتغير التضخيم عند انحياز ثابت مع درجة الحرارة. منحنى التعويض الصحيح خاص بالجهاز. قد ينظم مستقبل OEM درجة حرارة الكاشف، أو يضبط الانحياز من علاقة درجة حرارة مميزة، أو يجمع بين كلا النهجين، لكنه لا ينبغي أن يعامل نقطة ضبط درجة حرارة الغرفة كشرط تشغيل عالمي.
جودة الانحياز مهمة أيضًا. التموج أو الانحراف على خط الجهد العالي يعدّل التضخيم، مما قد يغيّر سعة النبضة ويؤثر على النقطة التي ينطلق عندها مميّز التوقيت. يحتاج الكاشف، ومستشعر درجة الحرارة، ومولد الانحياز، وTIA، وطريقة التوقيت إلى التأهيل كسلسلة واحدة.
APD أو الصمام الثنائي الضوئي PIN أو SPAD: اختر حسب نظام الإشارة
تحل هذه الكاشفات مشكلات مترابطة في أنظمة تشغيل مختلفة. الجدول هو نقطة بداية للاختيار، وليس بديلاً عن نموذج ضوضاء المستقبل وبيانات الاختبار.
| اختيار المستقبل | حيث يكون مفيدًا غالبًا | الميزة الرئيسية | التكلفة التصميمية الرئيسية |
|---|---|---|---|
| الصمام الثنائي الضوئي PIN | إشارات مرتجعة أقوى، مسارات أقصر، أو تصاميم حساسة للتكلفة والطاقة | انحياز بسيط ولا ضوضاء زائدة من الانهيار | لا تضاعف داخلي قبل المضخم |
| APD في الوضع الخطي | إشارات مرتجعة تماثلية ضعيفة وسريعة حيث يحسّن تضخيم ما قبل المضخم ميزانية الضوضاء | تضخيم داخلي مع الاحتفاظ بمعلومات سعة النبضة | تحكم عالي الانحياز، وضوضاء زائدة، واعتماد على درجة الحرارة، واسترداد من الحمل الزائد |
| SPAD أو مصفوفة | كشف أحداث الفوتون ومعماريات الارتباط الزمني | حساسية عالية جدًا للأحداث | الإخماد، والوقت الميت، والنبضات اللاحقة، والتراكم، والمعالجة الإحصائية |
توافق الطول الموجي يأتي أولاً. تُستخدم كاشفات السيليكون على نطاق واسع في منطقة الضوء المرئي والأشعة تحت الحمراء القريبة، بينما تتطلب المستقبلات ذات الأشعة تحت الحمراء القريبة الأطول أو الأشعة تحت الحمراء القصيرة عادةً كاشفات أشباه الموصلات المركبة مثل InGaAs. لا تزال الاستجابة الدقيقة، والتضخيم، والضوضاء، وسلوك الانهيار، والمنطقة النشطة، وعرض النطاق تعتمد على الجهاز المختار؛ لا تنقل نتيجة من بنية كاشف إلى أخرى.
كما لا يمكن لـ APD أن يضمن مدى قياس أطول بحد ذاته. تساهم طاقة الإرسال، وتباعد الشعاع، وانعكاسية الهدف وزاويته، وفتحة الاستقبال، والانتقال البصري، وعرض نطاق المرشح، واستجابة الكاشف، والضوضاء الإلكترونية، والضوء المحيط، ومنطق القبول، والخرج المسموح به جميعها. السؤال الصحيح هو ما إذا كان المستقبل الكامل يلبي غلاف الإرجاع المحدد وظروف الاختبار.
APD هو جزء واحد من سلسلة مستقبل كاملة
يجب اختيار الكاشف مع البصريات والإلكترونيات، لا تسليمه لفريق الدوائر كرقم قطعة معزول. في جهاز تحديد المدى بالليزر باستخدام الصمام الثنائي الضوئي الانهياري، ابدأ بأضعف وأقوى الإشارات البصرية المرتجعة المتوقعة، والطول الموجي، وشكل النبضة، والطيف المحيط، ودرجة حرارة التشغيل، ومعدل القياس المطلوب. ثم وزّع الأداء عبر سلسلة الاستقبال.
المسار البصري والمنطقة النشطة
تحدد فتحة الاستقبال والهندسة البؤرية مقدار الإرجاع الذي يصل إلى الكاشف. يمكن للمنطقة النشطة الأكبر أن تخفف من تفاوت المحاذاة، لكن سعتها الأعلى قد تقلل عرض النطاق أو تعقد مضخم التيار إلى الجهد (TIA). يمكن للمرشح الطيفي أن يقلل الخلفية الشمسية، ومع ذلك يجب أن يظل انزياح زاويته وسلوكه الحراري وتفاوت نطاق مروره متوافقاً مع الطول الموجي للمصدر ومجال الرؤية.
مضخم التيار إلى الجهد (TIA) والعتبة وانحراف التوقيت
يحول مضخم التيار إلى الجهد (TIA) تيار الكاشف إلى جهد مع تحديد جزء كبير من كسب المستقبل وعرض النطاق. يجب أن تتعامل مراحل التحديد أو الكسب المتغير اللاحقة مع كل من الصدى الضعيف والإرجاعات القريبة القوية. يمكن لعتبة ثابتة بسيطة أن تنتج انحراف توقيت يعتمد على السعة؛ تعتمد طريقة التمييز والمعايرة المناسبة على أشكال النبضات والمدى الديناميكي الذي يجب أن يقبله النظام.
يمكن للخلفية المحيطة أن ترفع تيار الكاشف وضجيج المستقبل حتى عندما يبقى الصدى المطلوب دون تغيير. الترشيح وتقدير الخط الأساسي وإدارة الكسب وعتبات القرار خيارات مترابطة. مقالتنا حول ضجيج الخلفية والعتبات التكيفية تغطي تلك المشكلة على مستوى النظام بمزيد من التفصيل.
الاسترداد وإيقاع القياس
قد يفشل المستقبل الذي يكتشف صدى بعيداً ضعيفاً بمعزل عن غيره بعد انعكاس قوي من نافذة أو حافة مبيت أو جسم أمامي أو هدف عالي الانعكاسية. اختبر زمن الاسترداد واستعادة الخط الأساسي وسلوك الإطلاق الخاطئ عبر الإيقاع الفعلي. لا تتحقق فقط من النبضة النظيفة الواحدة المعروضة على راسم إشارة مختبري.
أسئلة التأهيل التي تلتقط مشكلات المستقبل مبكراً
اطلب الشروط والأساليب، وليس حساسية العنوان الرئيسي فقط. يجب أن تجيب مراجعة موثوقة لكاشف أو وحدة على هذه الأسئلة:
- ما هي مادة الكاشف وبنيته المستخدمة، وكيف تتوافق استجابته الطيفية وكسبه مع الطول الموجي للمصدر؟
- كيف يتم تعريف كسب التشغيل وقياسه والتحكم فيه عبر درجة الحرارة وتفاوت الجهاز؟
- ما هي مساحة الكاشف والسعة وعرض نطاق TIA وظروف عرض النبضة التي تنطبق على أداء المستقبل المذكور؟
- كيف يتم تضمين تموج الانحياز والتيار المظلم والتيار الخلفي والضوضاء الزائدة في ميزانية الضوضاء؟
- كيف يتعافى المستقبل بعد الإشارات المرتجعة القوية، وما هو الحد الأدنى للفصل بين أحداث الإرجاع الذي تم اختباره؟
- ما هي إعدادات الهدف والضوء المحيط والفتحة والمرشح ودرجة الحرارة والقبول التي تنطبق على ادعاء الكشف؟
- كيف ترتبط بيانات المعايرة ودفعة الكاشف والبرنامج الثابت وتكوين المستقبل بإمكانية التتبع في الإنتاج؟
LUMEXIS designs and manufactures وحدات قياس مدى الليزر ضمن سير عمل متكامل بصري وإلكتروني وبرمجي ومعالجة الإشارات الضعيفة. يدعم فريقنا الهندسي في ووشي وقاعدة التصنيع في تايتشو التي تبلغ 14,000 متر مربع تجميع الغرف النظيفة والتدوير الحراري وفحص الإجهاد واختبار الأداء النهائي. هذه النظرة الشاملة للنظام مهمة لأن كسب الكاشف يكون مفيدًا فقط عندما تظل الواجهات البصرية والكهربائية والحرارية والخوارزمية تحت السيطرة في الإنتاج.
لمشروع جديد، خدماتنا هندسة تحديد المدى بالليزر يمكنها دعم الاختيار والتكامل والتحقق واستكشاف الأخطاء وإصلاحها من تقييم العينات حتى الإنتاج. يمكن شحن المنتجات القياسية خلال ثلاثة أيام؛ تتبع التكوينات المخصصة وبرامج العلامة الخاصة متطلبات المشروع وأوقات التسليم المحددة. راجع موقعنا حل قياس المدى بالليزر لسياق الأنظمة المدنية والصناعية المدعومة.
الأسئلة الشائعة
هل يزيد APD تلقائيًا من مدى محدد المدى بالليزر؟
لا. يمكن أن يحسّن APD حساسية المستقبل عندما يرفع كسبه الداخلي التيار الضوئي الضعيف بشكل مفيد فوق الضوضاء اللاحقة. لا يزال المدى الأقصى يعتمد على ميزانية الارتباط البصري والكهربائي بأكملها، والهدف والغلاف الجوي، والمحاذاة، والضوء الخلفي، ومعالجة الإشارات، وطريقة الاختبار. يمكن أن يضيف الكسب المفرط ضوضاء أو يقلل النطاق الديناميكي القابل للاستخدام.
لماذا يتغير كسب APD مع درجة الحرارة؟
يعتمد الضرب الانهياري على تسارع الحاملات والتأين التصادمي داخل أشباه الموصلات. يتغير تشتت الشبكة البلورية مع درجة الحرارة، لذا لا ينتج جهد انحياز عكسي ثابت كسبًا ثابتًا عبر نطاق التشغيل. يستخدم المصممون توصيفًا حراريًا خاصًا بالجهاز، أو تعويض الانحياز، أو التحكم الحراري، أو مزيجًا من هذه الأساليب.
هل APD هو نفسه SPAD؟
لا. غالبًا ما يعمل APD التقليدي لأجهزة تحديد المدى دون الانهيار في الوضع الخطي، حيث يظل سعة الخرج مرتبطًا بالضوء الساقط. يعمل SPAD فوق الانهيار في وضع-Geiger وينتج حدث انهيار منفصل يجب إخماده. بنية القراءة وسلوك الوقت الميت ونموذج المعالجة مختلفة.
هل يجب أن تستخدم مستقبلات 905 نانومتر و1535 نانومتر نفس الكاشف؟
عادة لا بالافتراض. يجب أن تتوافق مادة الكاشف وبنيته واستجابته الطيفية وكسبه وضوضائه وسلوك الانهيار مع الطول الموجي للتشغيل. تشيع APDs السيليكونية حول 905 نانومتر، بينما تستخدم أنظمة 1535 نانومتر عادة كواشف من عائلة InGaAs. تحقق من بيانات الجهاز الدقيقة وظروف المستقبل بدلاً من تطبيق تسمية الطول الموجي وحدها.
ما المعلومات التي يجب أن يوفرها مورد مستقبل APD؟
اطلب نوع الكاشف وكسب التشغيل وطريقة الانحياز وسلوك درجة الحرارة والمنطقة النشطة والسعة وعرض نطاق المستقبل وظروف الضوضاء واستعادة الحمل الزائد وظروف المرشح البصري ومنطق القبول وخطة التتبع. يجب أن تحدد ادعاءات الأداء النبضة والهدف والفتحة والبيئة المحيطة وظروف درجة الحرارة المستخدمة.
المراجع
- هاماماتسو فوتونيكس،, ملاحظة فنية: Si APD.
- هاماماتسو فوتونيكس،, دليل فني للمضاعفات الضوئية السيليكونية، القسم 1.
- أنالوج ديفايسز،, دائرة انحياز APD منخفضة الضوضاء.
- جين-هو لي وآخرون،, دائرة مستقبل إلكتروني ضوئي CMOS مع صمام ضوئي انهياري على الشريحة لأجهزة استشعار LiDAR للمراقبة المنزلية, أجهزة الاستشعار, 2021.
هل أنت مستعد لمراجعة متطلبات مستقبل أو وحدة؟ أرسل إلى مهندسي التطبيقات لدينا الطول الموجي، ومغلف إشارة الإرجاع، وظروف الهدف، وطريقة التوقيت، ودرجة حرارة التشغيل، والمغلف الميكانيكي، والواجهة، والحجم المتوقع. يمكننا التوصية بوحدة قياسية أو تحديد نطاق تكوين مخصص وخطة تحقق.