[기고] 라이다 수신기 설계를 위해 어떻게 주변 광 제거하는가

2022-01-06
글/ 노이 퀸테로(Noe Quintero) 아날로그 설계 엔지니어, 아나로그디바이스(Analog Devices, Inc.)

DC 제거 회로 사용하여 최대의 회복 시간 성능 달성

100미터 이상의 거리에서 물체를 감지하기 위해서는, 역 제곱 법칙에 따른 손실 때문에 반사되는 빛의 양이 적어지므로 이를 감지하기 위해서 높은 이득이 필요하다. 이 글에서는 라이다 수신기 체인에 대한 주변 광의 영향을 완화하기 위해서 어떤 솔루션들을 사용할 수 있는지 살펴본다.



ToF(time of flight) 라이다(LiDAR) 시스템 설계에서 까다로운 과제 중의 하나는 수신 신호 체인에 높은 감도가 요구된다는 점이다. 이 시스템은 통상적으로 작은 점에 콜리메이티드(평행광) 레이저 펄스를 방출한다. 콜리메이티드 레이저의 장점은 발산(divergence)으로 인한 빛의 손실을 제한하고, 거리에 따른 초점 직경을 일정하게 유지한다는 것이다. 하지만 빛은 물체에 부딪히면 튕겨져 나와 여러 방향으로 반사된다.

이것을 빛의 산란(scattering)이라고 한다. 물체에 반사되어서 광원으로 되돌아오는 빛의 양은 I/R2에 비례한다. 그래서 이것을 역 제곱 법칙이라고 한다. 짧은 거리에서는 물체를 감지하기가 어렵지 않다. 하지만 100미터 이상의 거리에서 물체를 감지하기 위해서는, 역 제곱 법칙에 따른 손실 때문에 반사되는 빛의 양이 적어지므로 이를 감지하기 위해서 높은 이득이 필요하다. 그런데 수신기에 높은 이득을 사용하면 신호 체인 상에 주변 광으로 인한 영향을 받게 된다.

태양은 넓은 스펙트럼의 파장들을 방출하는 광원이다. 라이다 시스템은 통상적으로 900nm와 1550nm 파장을 사용하는데, 이것은 이들 스펙트럼 대역에 태양으로부터의 빛이 존재하지 않기 때문이다. 하지만 멀리 있는 물체를 감지하기 위해서는 수신기에 상당히 높은 이득을 사용해야 하고, 그러면 이들 대역에서도 태양으로부터의 주변 광이 수신기를 포화시킬 수 있다. 그러면 시스템을 눈부시게 만들고 제대로 작동하지 못할 것이다. 이 글에서는 라이다 수신기 체인에 대한 주변 광의 영향을 완화하기 위해서 어떤 솔루션들을 사용할 수 있는지 살펴본다.

작동 원리

작동 원리를 보면, 좁은 폭의 광 펄스를 방출하기 위해 레이저가 사용된다. 이 레이저 펄스가 물체에 부딪혀서 반사된다. 검출기를 사용해 빛이 반사되어 되돌아오는 데 걸리는 시간을 측정한다. 빛의 속도는 알려져 있으므로 레이저 펄스가 왕복해서 되돌아오는 시간을 이용해 거리를 계산할 수 있다. 펄스형 레이저의 진폭이 높을수록 리턴 신호는 클 것이다. 원거리 라이다의 경우에는 레이저 빛의 세기로부터 사람의 시력을 보호하기 위한 한계 요건으로 인해서 최신 시스템에서도 거리가 제한된다.

그림 1에서 보듯이, 곡선 하단의 음영 면적이 펄스 에너지를 결정한다. 그러므로 더 높은 피크 전력을 사용하기 위해서는 이 면적을 시력 안전 한계 아래로 유지하기 위해서 펄스 폭을 줄여야 한다. 그러므로 우리의 목표는 비교적 좁은 폭으로 높은 진폭의 레이저 펄스를 제공하는 것이다. 현행 라이다 시스템들은 펄스 폭이 5ns 대이며 계속해서 더 짧은 펄스 폭으로 옮겨가고 있다. 라이다 시스템에서 고려해야 할 또 다른 측면은 산란이다.



역 제곱 법칙 문제를 극복하기 위해서 통상적으로 APD(avalanche photodiode)를 사용해서 광학적 이득을 구현한다. 이 신호 체인에서는 트랜스임피던스 증폭기(TIA)가 잡음과 관련한 제한 요인이기 때문에 APD를 사용하는 것이 유익하다. 이 검출기에 이득을 적용함으로써 시스템의 입력 참조 잡음을 낮출 수 있다. 명심해야 할 점은 APD의 한계점은, 이득이 너무 높으면 항복점에 가까워지면서 잡음 성능을 악화시킨다는 것이다.

라이다 설계에서 해결해야 할 과제

다른 엔지니어링 문제들과 마찬가지로 여기서도 절충적인 요소들이 존재한다. 폭이 5ns 이내인 레이저 펄스 에지를 검출하기 위해서는 수신 신호 체인에서 대역폭이 충분히 높아야 하고, 검출기 커패시턴스는 TIA 대역폭을 제한하지 않도록 작아야 한다. 커패시턴스가 작으면 APD의 샷 잡음(shot noise)과 관련해서도 도움이 된다. 이 둘은 서로 비례하기 때문이다. 따라서 각 애플리케이션의 필요에 따라서 감도, 대역폭, 전력을 적절히 조화시켜야 한다.

수신 신호 체인에 높은 이득을 사용하는 데 있어서 또 다른 까다로운 점은 동적 범위가 넓어진다는 것이다. 최신 APD는 이처럼 높은 이득을 달성하기 위해서 300V 가까이로 역 바이어스한다. 검출기와 가까운 거리에 반사도가 높은 물체가 존재할 때는 문제가 더 심해진다. 이렇게 높은 신호와 APD의 비교적 높은 이득이 결합해서 수백 mA를 발생시키고 이것이 TIA로 흐를 수 있는 것이다.

대부분의 통신용 TIA는 이 같은 수준을 견디도록 설계되지 않았으며, 다음 펄스 사이클에 대비해서 합당한 시간 내에 회복하는 것 역시 못한다. 하지만 라이다 전용 TIA는 클램프 기능을 포함하고 있어 이 전류를 션트시키고 100ns 이내에 회복할 수 있다. 전력을 듀티 사이클로 제어하고 사용되지 않는 채널들은 셧다운할 수 있다. 그렇다면 마지막으로 남은 문제는 주변 광으로부터의 DC 광전류이다. 이 문제를 해결하기가 결코 간단치만은 않다.

AC 결합 입력 vs. DC 결합 입력

언뜻 보기에는 TIA의 입력들을 AC 결합을 해서 DC 전류를 차단하는 것으로서 이 문제를 간단히 해결할 수 있을 것 같다. 하지만 안타깝게도 이 방법에는 많은 함정들이 따른다. 포화 회복 시간이 영향을 받고 시스템을 눈부시게 만들 수 있다. 가까이 있는 물체로부터 높은 수준의 펄스가 수신될 때 AC 커패시터가 충전될 것이다. TIA는 AC 커패시터로 적은 양의 전류만을 주입할 수 있다.

10kΩ에서부터 100kΩ 대에 이르는 피드백 저항이 이 전류를 제한하기 때문이다. 이 커패시터의 값에 따라, RC 시간 상수가 매우 커서 회복하기 위해서 수백 μs가 걸릴 수 있다. 이것은 허용될 수 없는 것이다. 100미터를 감지하는데 통상 2μs의 시간이 할당되므로, 멀리 떨어져 있는 물체로부터 신호를 놓치게 될 것이다. TIA를 AC 결합할 때 또 다른 문제는, 레이저 광원의 반복율이다. 들어오는 펄스들을 AC 결합을 하면 이 펄스들이 AC 커패시터로 애버리징될 것이다. 검출기 신호는 유니폴라로서, AC 커패시터를 서서히 충전시킬 것이다.

이 커패시터 상에서 DC 오프셋이 발생될 것이다. 이것은 시스템 차원에서 TIA의 선형 범위를 줄일 것이고, 반복율과 리턴 신호의 진폭에 따라서 DC 오프셋이 변화될 것이다. “라이다 시스템의 TIA 인터페이스를 어떻게 효과적으로 설계하고 최적화할 것인가?”라는 제목의 기사에서는 AC 입력 결합 TIA에 대해서 자세히 분석하고 있다. DC 결합 입력은 이러한 모든 문제들과 부차적인 영향들을 피할 수 있다. 그 대신, 복잡성은 높아진다. 따라서 이 전류를 제거하기 위한 효과적인 방법은 폐쇄 루프 회로를 사용해서 TIA 입력에 반대되는 전류를 주입하는 것이다.

DC 제거 회로

그림 2의 블록 다이어그램은 DC 입력 전류를 제거하기 위한 아날로그 폐쇄 루프 구현 방법을 보여준다. 오차 증폭기가 하는 일은 TIA의 출력을 감시하고 TIA의 입력에 반대 전류를 주입하는 것이다. 이는 출력을 비교하고 TIA의 레퍼런스와 일치하도록 제어한다. TIA의 레퍼런스를 사용해서 오차 증폭기 레퍼런스를 도출하는 것은 다음과 같은 두 가지 이유에서 좋은 방법이다:



하나는 출력의 레퍼런스를 일치시킬 수 있다는 점이고, 다른 하나는 TIA에 PSRR을 유지할 수 있기 때문이다. 전력 소모를 줄이고 비용을 낮추기 위해서는 오차 증폭기 회로에 대역폭이 낮은 증폭기를 사용해야 한다. 또한 고속의 펄스가 입력으로 다시 돌아와 결합하지 않도록 하기 위해서는 오차 증폭기 입력에 저역통과 필터를 사용하는 것이 바람직하다.

그림 3은 LTC6560을 사용한 DC 제거 회로를 보여준다. LTC6560의 출력은 이 TIA에 대한 입력 전류가 없을 때 공칭 약 1V DC이다. 따라서 이 전압을 일치시키기 위해 레퍼런스에 저항 분할기가 요구된다. 이 저항 분할기를 사용해서 레퍼런스의 공칭 1.5V를 분할해서 출력 1V로 일치시킬 수 있다. R1과 C1은 약 10.6kHz의 저역통과 필터를 형성한다. 이 필터는 오차 증폭기로부터 LTC6560으로 주입되는 잡음의 양을 최소화한다.



이 저역통과 필터가 이 루프에 대한 지배 극점(dominant pole)으로서, 서로 다른 대역폭 요구에 따라서 조절할 수 있다. 간단한 적분 오차 증폭기 회로를 사용해서 LTC6560의 출력을 1V로 제어할 수 있다. 1V는 LTC6560으로 전류가 없을 때의 공칭 출력 전압이다.

R2는 20kΩ 저항으로서, 간단한 구현을 통해 LT6015의 출력을 전류로 변환할 수 있다. 이 저항 값과 연산 증폭기의 최대 스윙이 LT6015 출력 스윙에 따라서 최대 전류를 설정한다. LT6015는 레일-투-레일 연산 증폭기가 아니므로, 최대 DC 전류 제거가 LT6015의 최대 스윙과 LTC6560의 입력 자체 바이어스 전압(공칭 1.5V) 사이의 차이로 제한될 것이다. 이 회로는 가능한 최대 DC 전류 제거가 150μA이다.

그림 4와 그림 5는 LTC6560을 사용한 DC 제거 회로의 LTspice® 시뮬레이션을 보여준다. 이 시뮬레이션에 V2를 사용해서 적분 오차 증폭기의 레퍼런스를 설정하고 있다. 이 방법으로 이 회로를 시뮬레이션하고, 확정적 시작 전압을 구축할 수 있다.



이 DC 제거 회로는 LTC6561과 함께 사용할 수도 있다. 그림 6에서 보듯이, 4개의 출력 저항을 사용하여 각 채널에 전류를 주입함으로써 3개의 LT6015를 절약할 수 있다. 그런데 이렇게 하면 채널들이 결합될 수 있는 경로가 형성된다. 하지만 40kΩ 저항이 채널-대-채널 절연으로 최소한의 영향을 미치도록 한다. 끝으로, 채널들이 DC 입력 전류가 비슷해야 한다. 오차 증폭기가 채널들 사이에서 급격히 달라질 수 없기 때문이다. 이 회로는 모든 광 채널들이 서로 가깝게 배치되어 있는 시스템에 사용하기에 유용하다



측정 결과

이 글에서 설명한 개념을 증명하고 성능을 검증하기 위해서 그림 7과 같은 보드를 개발했다. 예상했듯이 이 제거 회로는 보드 배선과 부품들의 기생 성분이 큰 비중을 차지한다. 이 회로는 DC 제거를 적용하지 않은 회로의 64nA rms에서,100kHz ~ 200MHz의 DC 제거 회로를 통합했을 때 66nA rms로 적분 잡음이 증가한다.



그림 8은 DC 제거 회로를 적용했을 때와 적용하지 않았을 때 측정된 입력 참조 잡음 밀도를 보여준다. TIA로 로드되는 용량성 부하 없이 잡음 플로어를 구하기 위해, 이 회로에서 APD를 제거했다. 그렇게 했을 때 적분 잡음이 DC 제거를 적용하지 않은 회로의 경우 59nA rms, DC 제거 회로의 경우 60nA rms였다. 하지만 이 회로는 검출기와 함께 사용하기 위한 것으로서, 회로 성능에 커패시턴스를 포함시켜야 한다.



맺음말

LTC6560과 LTC6561의 입력을 AC 결합을 하기 위해서는 몇 가지 과제들이 해결되어야 한다. 회로 성능에 거의 영향을 미치지 않으면서 AC 결합을 구현할 수 있는 경우는 많지 않다. 최신 라이다 시스템에서 성능을 극대화하기 위해서는 이 글에서 제안한 DC 제거 회로를 사용하면 회로 잡음에 영향을 미치지 않으면서 최대의 회복 시간 성능을 달성할 수 있다. 대신, 레이아웃이 좀더 복잡해지고 적분 오차 증폭기의 전력 소모가 높아진다는 것은 감수해야 할 점이다.
 

저자 소개

노이 퀸테로(Noe Quintero)는 아나로그디바이스(Analog Devices)에서 2015년에 애플리케이션 엔지니어로 시작해 2019년에 아날로그 설계 엔지니어가 되었다. 산호세 주립대학에서 전기공학 학사학위를 취득했으며, 신호 체인 솔루션을 맡고 있다. 문의: noe.quintero@analog.com


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