周辺光の影響を受けにくいLiDAR受光回路

■問題

【 LTC6560 】

小川　敦　Atsushi Ogawa

　図1は，レーザ距離計に使用する，LiDAR(ライダ)受光回路です．高感度フォト・ダイオードのAPDで，レーザの反射パルス光を検出し，TIAで電圧に変換してOUT端子に出力します．また，OP₁はAPDに照射される周辺光の影響を軽減する働きをします．
　図1の回路のAPDに太陽光があたり，APDに50μAの直流電流が流れました．このとき，OUT端子の直流電圧はいくつになるでしょうか．ただし，OP₁とTIAは，レール・ツー・レール出力が可能なものとします．

LiDAR：Light Detection And Ranging
APD：Avalanche Photodiodes
TIA：TransImpedance Amplifier

図1　LiDAR(Light Detection And Ranging)受光回路⁽¹⁾
APDに50μAの直流電流が流れた都にのOUT端子の直流電圧は？

(a) 0.1V　(b) 1V　(c) 2V　(d) 4.7V

■ヒント

　図1のTIAは，反転アンプとして動作し，IN端子に入力された電流をR_TIで電圧に変換します．また，OP₁は非反転型の積分回路を構成しています．OUT端子の直流電圧変化に対し，OP₁の出力電圧がどのように変化するかを考えれば，答えが分かります．

■解答

(b) 1V

　OUT端子の直流電圧がVrefよりも大きくなると，OP₁の出力電圧が大きくなります．OP₁の出力電圧は，抵抗(R₁)を介してTIAに入力されているので，OP₁の出力電圧が大きくなると，OUT端子の直流電圧が下がります．このようにしてOUT端子の直流電圧がVrefと同じになるように制御されます．I₁に直流電流が流れても，OUT端子の電圧は，Vrefと同じになるため，OUT端子の電圧は1Vになります．

■解説

●LiDARの基本的な仕組みと課題
　LiDAR(Light Detection And Ranging)は，近年，自動運転などでの応用が注目を集めている技術です．LiDARは，レーザのパルス光を対象物に照射し，反射光が戻ってくるまでの時間を計測することで，対象物までの距離を計算します．このような方式をToF（Time of Flight）と呼びます．
　レーザを使用することで，対象物までの距離や対象物の形状を，電波を使うレーダよりも，高精度に検出することが可能です．反射光の強さは，距離の2乗に反比例するため，対象物までの距離が遠くなると，反射光は非常に小さくなります．反射光を大きくするには，レーザのパワーを大きくする必要がありますが，安全面から限界があります．
　そこで，平均パワーを維持しながら，レーザのパルス幅を狭くすることで，ピーク・パワーを大きくすることが行われます．パルス幅が5ns以下となるため，受光回路は，広帯域で高感度なものが必要になります．また，受光回路の感度を上げると，太陽光等の周辺光の影響を受けやすくなる，という課題があります．

●高感度なフォト・ダイオード
　LiDAR受光回路では，反射光の検出のために，高感度なフォト・ダイオードのAPD(Avalanche Photodiodes)が使用されます．弱い光も広帯域に電流に変換できるためです．
　APDで光電流が発生する原理は通常のフォト・ダイオードと同じです．ただし，APDは，高い逆バイアス電圧をかけることで，光によって発生した電子-正孔対が，次々に雪崩(avalanche）のように新たな電子-正孔対を発生させることで，光電流が増幅されます⁽²⁾．電流の増倍率は，逆バイアス電圧をを大きくするほど，大きくなります．

●APDで発生した光電流を電圧に変換するTIA
　APDで発生した光電流は，TIA(TransImpedance Amplifier)で電圧に変換します．図2は，基本的なTIAの動作をシミュレーションするための回路です．OPアンプによる電流電圧変換回路となっています．R_TIが電流を電圧に変換するための抵抗です．入力電流はR_TIを左向きに流れるため，OUT端子の電圧は(V_OUT)式1で表されます．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(1)

　電流源Irがレーザの反射光でAPDに発生したパルス電流です．I_DCは周辺光によってAPDに発生した直流電流を模擬しています．図2では「.step」コマンドでI_DCを0,50μA,100μAと変化させます．

図2　基本的なTIAの動作をシミュレーションするための回路
「.step」コマンドでI_DCを0,50μA,100μAと変化させる．

　図3は，図2のシミュレーション結果です．I_DCが0のときは，OUT端子にIrに対応したパルス電圧が出力されていますが，I_DCが50μAと100μAのときは，OUT端子の電圧が電源に張り付き，パルス電圧が十分に出力されていません．

図3　TIAのシミュレーションン結果
I_DCが0のときだけ，OUT端子にIrに対応したパルス電圧が出力されている．

●TIAに周辺光キャンセル回路を追加する
　図3のシミュレーション結果から分かるように，図2のTIAを使用したLiDAR受光回路は，周辺光の影響で正常に動作しなくなってしまうことがあります．そこで，周辺光の影響をキャンセルする回路を追加したものが図1の回路です．そして，図4が，図1の回路の周波数特性をシミュレーションするための回路です．
　I₁が信号電流源で，直流電流値は50μAとなっています．OP₁は非反転積分回路を構成しており，OUT端子の直流電圧がVrefと等しくなるように，R₁を介してTIAに帰還をかけます．この回路は，「オーディオ用アンプのDCサーボ回路」⁽³⁾等で使用されているものと同じものです．
　OUT端子の直流電圧がVrefよりも大きくなると，OP₁の出力電圧が大きくなり，R₁を介して電流をIN端子に流し込こみます．すると，TIAは反転アンプのため，OUT端子の直流電圧が下がります．このようにしてOUT端子の直流電圧がVrefと同じになるように制御します．そのため，I₁に直流電流が流れても，OUT端子の直流電圧は変化しません．
　OP₁で補償できるI₁の直流電流の最大値(I_DCMX)は，OP₁の最大出力電圧をVOMAXとすると，式2で表されます．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(2)

　この回路は，I₁の直流電流値が変化してもOUT端子の電圧は変化しませんが，交流電流の場合は，その交流電流に対応した電圧がOUT端子に発生します．つまり，ハイパス・フィルタとなっており「R₃=R₂,C₂=C₁」とすると，カットオフ周波数(f_C)は式3で表されます．

・・・・・・・・・・・・・・・・(3)

　図4の回路には，シミュレーション実施後の動作点電圧が表示されおり，OUT端子の電圧は1Vとなっています．ここで，DCS点の電圧は2Vとなっており，R₁には50μAの電流が流れています．つまり，I₁の電流はすべてR₁が供給しており，R_TIには直流電流は流れません．そのため，OUT端子の電圧はVrefと同じ1Vになっています．

図4　周辺光の影響をキャンセルする回路を追加したTIA回路
OP₁は非反転積分回路を構成しており，OUT端子の直流電圧をVrefと等しくする

　図5は，図4の周波数特性のシミュレーション結果です．縦軸は電流入力に対する電圧ゲインを表しており，1MHzでのゲインは97.4dBとなっています．この値からトランス・インピーダンスを計算すると，74kΩとなります．また，ゲインは，ハイパス・フィルタ特性となっており，カットオフ周波数は39.4kHzで式2の計算結果と一致しています．

図5　周辺光キャンセル回路を追加したTIAの周波数特性
ハイパス・フィルタ特性となっており，カットオフ周波数は39.4kHzとなっている．

●TIAを使用したLiDAR受光回路を確認する
　図4は，理想OPアンプを使用した回路でしたが，次は，実在するTIA用IC(LTC6560)を使用した回路のシミュレーションを行います．LTC6560は，LiDAR受光回路に適した220MHz帯域幅のロー・ノイズTIA⁽⁴⁾です．図6が，LTC6560を使用した，LiDAR受光回路をシミュレーションするための回路です．

図6　LTC6560を使用した，LiDAR受光回路をシミュレーションするための回路
Vref端子の電圧を抵抗で分割して，DCサーボ回路の基準電圧として使用する．

　図6には，図4と同様に，周辺光の影響をキャンセルする回路が追加されています．ただし，LTC6560のOUT端子の直流電圧は，内蔵されたレベル・シフト回路の影響で，Vref端子の電圧よりも低くなっています．Vref端子の電圧が1.5Vとなっているのに対し，OUT端子の電圧は1Vとなっています．そのため，Vref端子の電圧を，直接DCサーボ回路の基準電圧として使用することができません．そこで，Vref端子の電圧を抵抗で分割して，DCサーボ回路の基準電圧として使用します．
　図6のR₃とR₄が分圧用の抵抗です．R₃とR₄は，並列抵抗値がR₂と等しく，分圧比(N)が1/1.5となる必要があります．そのため，式4と式5の連立方程式を解いてR₄とR₃の値を求めます．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(4)

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(5)

　式4,式5からR₄を求めると，式6のように204kΩとなります．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(6)

　同様に，R₃を求めると，式7のように102kΩになります．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(7)

　図7は，図6のシミュレーション結果です．図7の上段がDCS点の電圧で，下段がOUT端子の電圧です．DCS点の電圧は，I_DCの大きさによって変化しています．また，OUT端子の直流電圧は，I_DCが変化しても変わっていないことが分かります．

図7　LTC6560を使用した，LiDAR受光回路のシミュレーション結果
DCS点の電圧は，I_DCの大きさによって変化している

　図8は，図7の時間軸を拡大したものです．図8の下段のOUT端子の波形を見ると，パルス波はすべて重なっており，I_DCの値が変化しても，光電流を正しく電圧に変換できていることが分かります．

図8　時間軸を拡大した，LiDAR受光回路のシミュレーション結果
I_DCの値が変化しても，光電流を正しく電圧に変換できている．

　以上，LiDAR受光回路で，周辺光の影響をキャンセルする回路について解説しました．LTC6560の詳細な特性や使い方は，データシートを参照してください．

◆参考・引用*文献◆
(1)アナログデバイセズ：LIDARレシーバーで周辺光の影響をキャンセルする方法
(2)浜松ホトニクス：技術資料 / Si APD
(3)LTspiceで学ぶオーディオ回路入門：パワー・アンプの直流電圧からスピーカを守る回路
(4)アナログデバイセズ：LTC6560データシート

■データ・ファイル

解説に使用しました，LTspiceの回路をダウンロードできます．
LTspice10_045.zip

●データ・ファイル内容
TIA.asc：図2の回路
TIA.plt：図3のグラフを描画するためのPlot settinngsファイル
TIA_DCS.asc：図4の回路
TIA_DCS.plt：図5のグラフを描画するためのPlot settinngsファイル
LTC6560_DCS.asc：図6の回路
LTC6560_DCS.plt：図7のグラフを描画するためのPlot settinngsファイル