一种IToF和DToF双模式VCSEL驱动电路、模组、芯片、方法及设备

一种itof和dtof双模式vcsel驱动电路、模组、芯片、方法及设备
技术领域
1.本发明属于半导体激光器驱动电路技术领域，具体涉及一种itof和dtof双模式vcsel驱动电路、模组、芯片、方法及设备。


背景技术：

2.近年来，中国制造业积极寻求改革走向高端，逐渐将目光放在了智能机器人、无人驾驶、无人机等科技密集型行业，目标实现高端制造业的崛起。对于这些新型智能科技来说，激光雷达就相当于它们的“眼睛”，如果没有激光雷达，它们就没法获取周围环境的信息，也就无法察觉到周围环境的变化并作出对应的反应。在新型智能科技迅速发展的大背景下，激光雷达必将得到更为广泛的应用，市场前景一片大好。
3.tof激光雷达测距系统的测距原理是通过光发射机朝目标连续发射调制激光，然后通过光接收机接收反射回来的激光，得到激光在空气中的飞行时间进而得到系统到目标的距离信息。其按照其工作方式的不同，主要可以分成两种类型，一种是相位式激光雷达测距系统(itof)另外一种是脉冲式激光雷达测距系统(dtof)。
4.两种测距系统各有优劣，为了更好的适应不同的测距系统，需要一种vcsel(垂直腔表面发射激光器)驱动电路能够兼容itof和dtof两种工作模式。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种itof和dtof双模式vcsel驱动电路、模组、芯片、方法及设备，能够兼容itof和dtof两种工作模式。
6.本发明采用以下技术方案：
7.本发明一种itof和dtof双模式vcsel驱动电路，包括偏置电路，偏置电路经控制电路连接输出级电路，偏置电路用于提供电路itof模式下输出级电路的偏置电压；控制电路用于控制itof和dtof双模式vcsel驱动电路的工作模式，当控制信号en_itof为高时itof和dtof双模式vcsel驱动电路工作在itof模式下，当控制信号en_itof为低时itof和dtof双模式vcsel驱动电路工作在dtof模式下，并接收控制信号en_itof；输出级电路用于向vcsel提供驱动电流。
8.具体的，偏置电路包括idac，idac的正极连接vcc，idac的负极分两路，一路连接节点n1，另一路与nmos2的漏极连接；nmos2的栅极连接节点n1，通过节点n1连接控制电路，nmos2的源极连接nmos1的漏极，nmos1的栅极连接vcc，nmos1的源极连接地。
9.进一步的，idac为电流型临时数字-模拟转换器。
10.具体的，控制电路包括nmos3，nmos3的栅极外接控制信号en_itof，nmos3的漏极通过节点n1连接偏置电路，nmos3的源极经节点n2分两路，一路连接输出级电路，另一路与pmos1的漏极连接，pmos1的源极连接vcc；pmos1的栅极外接控制信号en_itof。
11.具体的，输出级电路包括nmos4，nmos4的栅极连接节点n2，nmos4的漏极连接vcsel
的负极，vcsel的正极连接ldvcc，nmos4的源极连接nmos5的漏极；nmos5的栅极外接输入驱动信号，nmos5的漏极连接nmos4的源极，nmos5的源极与偏置电路共地连接。
12.具体的，itof模式下，nmos4偏置电压为电流源，vcsel的驱动电流为方波，dtof模式下，nmos4偏置电压为vcc，vcsel的驱动电流为三角波。
13.第二方面，一种vcsel模组，其特征在于，包括vcsel驱动电路和vcsel；vcsel驱动电路的第一端与vcsel的阳极连接，用于向vcsel供电；驱动电路的第二端与vcsel的阴极连接，用于根据输入脉冲信号控制vcsel的开通或关断，vcsel用于在vcsel驱动电路的控制下发射光信号，vcsel驱动电路为所述的itof和dtof双模式vcsel驱动电路。
14.第三方面，一种vcsel驱动芯片，包括所述的itof和dtof双模式vcsel驱动电路。
15.第四方面，一种vcsel驱动方法，应用于itof和dtof双模式vcsel驱动电路，所述方法包括：
16.获取vcsel的光功率感测信号，根据光功率感测信号和vcsel的预设工作电流设置信号向vcsel供电。
17.第五方面，一种电子设备，包括图像传感器，vcsel以及所述的itof和dtof双模式vcsel驱动电路。
18.与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
19.本发明一种itof和dtof双模式vcsel驱动电路，通过偏置电路提供电路itof模式下输出级电路的偏置电压；通过控制电路控制itof和dtof双模式vcsel驱动电路的工作模式，当控制信号en_itof为高时itof和dtof双模式vcsel驱动电路工作在itof模式下，当控制信号en_itof为低时itof和dtof双模式vcsel驱动电路工作在dtof模式下，并接收控制信号en_itof；输出级电路用于向vcsel提供驱动电流，在tof激光雷达测距系统中，相位式激光雷达测距系统(itof)适用于短距离高精度测距场景，而脉冲式激光雷达测距系统(dtof)适用于长距离高精度测距场景，兼顾itof和dtof双模式，可以同时覆盖所有高精度距离测试场景，做到短距离和长距离全场景高精度测距应用的tof激光雷达测距驱动电路芯片；同时大大的减小了芯片版图面积，降低芯片成本。
20.进一步的，偏置电路包括idac、nmos1、nmos2，在itof模式下，nmos2与nmos4组成电流镜，并且nmos2，nmos4工作在饱和区，idac的电流流过nmos2，那么nmos2将电流复制给nmos4，复制电流的大小由nmos2和nmos4晶体管的宽长比(w/l)决定，例如(w nmos4
/l nmos4
)/(w nmos2
/l
nmos2
)＝1000，那么nmos4流过的电流是nmos2流过的电流的1000倍。nmos1工作在线性区或截止区，当nmos1工作在线性区时，表示偏置电路导通，电流镜工作，能复制给输出级电路的nmos4，当nmos1工作在截止区时，表示偏置电路不导通，电流镜不工作，不能复制给输出级电路的nmos4。复制到nmos4电流流过vcsel激光器其让激光器发光。所以偏置电路可以灵活的配置输出级电路需要的电流，进而让发出激光器发出不同强度的光。
21.进一步的，idac为电流型临时数字-模拟转换器，通过控制信号分别控制着三条支路，可以选择一条支路或者全部支路导通，然后idac电流流过nmos2后复制nmos4路输出到vcsel激光器其让激光器发光。
22.进一步的，控制电路由nmos3和pmos1组成，通过控制信号en_itof让nmos3和pmos1工作在不同状态，控制信号en_itof为高时，nmos3工作在线性区，pmos1工作在截止区，nmos2的栅级电压导通到nmos4的栅级，那么nmos2与nmos4组成电流镜，nmos2将电流复制给
nmos4。配置输出级电路需要的偏置电路。控制信号en_itof为低时，nmos3工作在截止区，pmos1工作在线性区，vcc电压将导通到nmos4的栅级，nmos2的栅级电压不导通到nmos4的栅级，那么nmos2与nmos4不能组成电流镜，nmos4工作在线性区，其工作电路如图3所示。
23.进一步的，输出级电路中nmos4和nmos5，无论是itof还是dtof模式，nmos5都工作在线性区或者截止区，相当于一个电流开关，itof模式下，nmos5工作在饱和区，nmos4和nmos5组成一个电流源为激光器提供驱动电流让激光器发光，ftof模式下，nmos5工作在线性区，nmos4工作在线性区，激光器驱动电流由nmos5和nmos4串联电阻决定(i＝ldvcc/(r
nmos4
+r nmos5
)。
24.进一步的，在itof模式下，nmos4偏置电压为电流源，nmos5为电流开关，在itof模式下，输入信号vin为方波电压信号驱动nmos5，因为nmos5为电流开关，输入信号vin电压脉冲宽度时间决定了nmos5电流开关导通时间，输入信号vin的脉冲宽度决定了输出级vcsel的驱动电流的方波宽度。dtof模式下，nmos4偏置电压为vcc，输入信号vin为窄方波电压信号驱动nmos5，因为nmos5为电流开关，输入信号vin电压脉冲宽度时间决定了nmos5电流开关导通时间，如果输入信号vin脉冲宽度过小，那么nmos5电流开关不能完全导通，所以在电流充电上升过程中nmos5电流开关就关掉，所以vcsel的驱动电流为三角波。在tof激光雷达测距系统中，相位式激光雷达测距系统(itof)需要测量方波发射光和反射光之间的相位差来计算距离，所以需要需要方波电流信号的来进行测距。而脉冲式激光雷达测距系统(dtof)测量发出激光反射回来被光接收机接收的时间差测距，需要一个很窄的三角波保证测距精度。
25.综上所述，本发明同时兼顾itof和dtof模式，减小了芯片版图面积，降低了芯片成本。
26.下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
27.图1为本发明vcsel驱动电路结构示意图；
28.图2为本发明vcsel驱动电路工作在itof模式下的等效电路图；
29.图3为本发明vcsel驱动电路工作在dtof模式下的等效电路图；
30.图4为本发明vcsel驱动电路itof模式下的等效电路模型图；
31.图5为本发明vcsel驱动电路工作在dtof模式下的等效电路模型图；
32.图6为本发明vcsel驱动电路idac中的电流镜电路图；
33.图7为itof模式下驱动电路的输出电流瞬态波形图；
34.图8为dtof模式下驱动电路输出电流波形图；
35.图9为tof大电流vcsel驱动芯片架构图。
具体实施方式
36.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
37.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
38.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
39.应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
40.还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
41.还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
42.在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
43.本发明提供了一种itof和dtof双模式vcsel驱动电路，通过偏置电路提供电路itof模式下nmos4的偏置电压；通过控制电路控制电路工作的模式，en_itof为高时电路工作在itof模式下，en_itof为低时电路工作在dtof模式下，通过输出级电路向vcsel提供驱动电流，当itof和dtof双模式vcsel驱动电路工作在itof模式时，nmos4的偏置电压由偏置电路决定，起到电流源的作用，vcsel的驱动电流为方波；当itof和dtof双模式vcsel驱动电路工作在dtof模式时，nmos4的偏置电压为vcc，工作在线性区，作电阻用，vcsel的驱动电流为三角波。本发明能够兼容itof和dtof两种工作模式，适用于两种不同原理下的测距系统。
44.请参阅图1，本发明一种itof和dtof双模式vcsel驱动电路，包括偏置电路、控制电路和输出级电路，其中，偏置电路经控制电路与输出级电路连接，通过输出级电路向vcsel提供驱动电流，当en_itof为高时，itof和dtof双模式vcsel驱动电路工作在itof模式下，输出级电路的nmos4偏置电压由偏置电路决定，起到电流源的作用，vcsel的驱动电流为方波；当en_itof为低时，itof和dtof双模式vcsel驱动电路工作在dtof模式下，输出级电路的nmos4偏置电压为vcc，工作在线性区以实现电阻功能，vcsel的驱动电流为三角波。
45.偏置电路，用于提供电路itof模式下nmos4的偏置电压。
46.其中，偏置电路包括电流型数字模拟转换器idac、nmos1和nmos2。
47.电流型数字模拟转换器idac的正极连接vcc，电流型数字模拟转换器idac的负极连接n1节点；nmos1的栅极连接vcc，漏极连接nmos2的源极，源极连接地；nmos2的栅极连接n1节点，漏极连接n1节点，源极连接nmos1的漏极连接。
48.控制电路，控制itof和dtof双模式vcsel驱动电路工作的模式，en_itof为高时(3.3v)，itof和dtof双模式vcsel驱动电路工作在itof模式下，en_itof为低时(0v)，itof和dtof双模式vcsel驱动电路工作在dtof模式下，并接收控制信号en_itof；
49.其中，控制电路包括nmos3和pmos1。
50.nmos3的栅极外接控制信号en_itof，漏极连接n1节点，源极连接n2节点；pmos1的栅极外接控制信号en_itof，漏极连接n2节点，源极连接vcc。
51.输出级电路，向vcsel提供驱动电流。
52.其中，输出级电路包括vcsel、nmos4和nmos5。
53.vcsel的正极连接ldvcc，负极连接nmos4的漏极；nmos4的栅极连接n2节点，漏极连接vcsel的负极，源极连接nmos5的漏极；nmos5的栅极外接输入驱动信号，漏极连接nmos4的源极，源极连接地。
54.请参阅图2，idac的正极连接vcc，idac的负极连接节点n1、nmos2的漏极；nmos2的栅极连接节点n1、idac的负极、nmos4的栅极，nmos2的漏极连接idac的负极，nmos2的源极连接nmos1的漏极；nmos1的栅极连接vcc，nmos1的源极连接地，nmos1的漏极连接nmos2的源极；nmos4的栅极连接节点n2、nmos2的栅极，nmos4的源级连接nmos5的漏极,nmos4的漏极连接vcsel的阴极；nmos5的栅极连接输入信号vin，nmos5的源级连接地，nmos5的漏极连接nmos4的漏极；vcsel的阴极连接nmos4的漏极，vcsel的阳极连接ldvcc。
55.请参阅图3，nmos4的栅极连接pmos1的漏极，nmos4的源级连接nmos5的漏极，nmos4的漏极连接vcsel的阴极；nmos5的栅极连接输入信号vin，nmos5的源级连接地，nmos5的漏极连接nmos4的漏极；vcsel的阴极连接nmos4的漏极，vcsel的阳极连接ldvcc。
56.请参阅图4，在itof模式下，控制电路的控制信号en_itof为高(3.3v)，输出级电路用于向vcsel提供方波驱动电流，nmos4等效为一个电流源，一端连接vcsel的阴极，另一端连接nmos5；nmos5等效为一个电流开关，一端连接nmos4，另一端连接地；
57.请参阅图5，在dtof模式下，控制电路的控制信号en_itof为低(0v)，输出级电路用于向vcsel提供三角波驱动电流，nmos4等效为一个电流开关，一端连接vcsel的阴极，另一端连接nmos5；nmos5等效为一个电流开关，一端连接nmos4，另一端连接地。
58.请参阅图6，idac的低三位控制信号分别控制着三条支路，并且每一条支路都由一对互补信号进行控制。
59.请参阅图7，当电路工作在itof模式下，驱动电路的输出电流瞬态波形。
60.请参阅图8，图8显示了驱动电路工作在dtof模式下的输出电流瞬态波形。
61.请参阅图9，vcsel驱动电路在tof型激光雷达测距系统应用，包括低压差分电压信号接收电路(lvds)、预驱动电路(pre_driver)、驱动电路(driver)、电流型dac电路(idac)、模拟数字转换器(adc)和自动功率控制电路(apc)。
62.本技术实施例还提供一种vcsel模组，包括itof和dtof双模式vcsel驱动电路和vcsel；itof和dtof双模式vcsel驱动电路的第一端与vcsel的阳极连接，用于向vcsel供电；itof和dtof双模式vcsel驱动电路的第二端与vcsel的阴极连接，用于根据输入脉冲信号控
制vcsel的开通或关断，vcsel用于在itof和dtof双模式vcsel驱动电路的控制下发射光信号。
63.当控制信号en_itof为高时(3.3v)，itof和dtof双模式vcsel驱动电路工作在itof模式下，当控制信号en_itof为低时(0v)，itof和dtof双模式vcsel驱动电路工作在dtof模式下，并接收控制信号en_itof；输出级电路用于向vcsel提供驱动电流。
64.本技术实施例还提供一种vcsel驱动芯片，包括itof和dtof双模式vcsel驱动电路。
65.请参阅图9，为tof型激光雷达测距系统中一个完整的vcsel驱动芯片。
66.本技术实施例还提供一种vcsel驱动方法，其特征在于，应用于itof和dtof双模式vcsel驱动电路，驱动方法如图9所示，具体为：
67.获取vcsel的光功率感测信号，根据光功率感测信号和vcsel的预设工作电流设置信号向vcsel供电。
68.本技术实施例还提供一种电子设备，包括图像传感器，vcsel以及itof和dtof双模式vcsel驱动电路，itof和dtof双模式vcsel驱动电路驱动vcsel发射光信号，光信号经目标物体反射后，由图像传感器生成对应的光电信号，光电信号用于计算目标物体与电子设备之间的距离。
69.本技术实施例的vcsel模组、vcsel驱动芯片、vcsel驱动方法以及电子设备的实现原理和技术效果与上述任一实施例中的vcsel驱动电路类似，此处不再赘述。
70.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
71.本发明要求驱动电路工作在itof模式下，根据idac配置输出相应的方波脉冲调制电流，并且大小可调。本发明要求驱动电路工作在dtof模式下，输出相应的三角波调制电流，并且大小可调。
72.图7中显示了当电路工作在itof模式下驱动电流瞬态波形，图8显示了驱动电路工作在dtof模式下的输出电流瞬态波形。无论是图7还是图8都符合tof型激光雷达测距系统对驱动电流的要求。
73.综上所述，本发明一种itof和dtof双模式vcsel驱动电路、模组、芯片、方法及设备。在itof模式下，电路根据idac配置输出相应的方波脉冲调制电流，在dtof模式下，电路能够输出脉冲宽度小(例如:≤1ns)，峰值电流大(例如:≥1a)的三角波调制电流。仿真验证电路在itof和dtof两种模式下均能输出良好的电流瞬态波形。
74.以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。