Laajan dynaamiikan omaava CMOS-vastaanotin valopulssin kulkuaikamittaustekniikkaan perustuvaan lasertäisyysmittaukseen

Väitöskirjatyön tavoitteena oli kehittää integroitua vastaanotinelektroniikkaa valopulssin kulkuajan mittaukseen perustuvaan laseretäisyysmittaukseen. Vastaanottimella tavoiteltiin hyvää mittaustarkkuutta laajalla tulopulssin dynaamisella alueella (>1:10 000) ilman erillisiä ajoitusvirheen kompensointi- tai vahvistuksensäätörakenteita.

Työssä esitetään ajoitusilmaisurakenne, jossa ajoituspulssi muunnetaan unipolaarisesta bipolaariseksi välittömästi vastaanotinkanavan tulossa, jolloin bipolaarisen signaalin nollaylityskohta ilmaisee ajoitushetken tarkasti laajalla tulopulssin amplitudialueella. Etuasteen piiritoteutus sisältää ulkoisen LC-resonaattorin sekä epälineaarisen transimpedanssiesivahvistinasteen, jotka muuntavat valoilmaisimelta saadun tulopulssin bipolaariseksi jännitesignaaliksi.

Työssä analysoitiin vastaanotinkanavan keskeisten parametrien (kaistanleveys, kohina, tulopulssin leveys) vaikutukset systeemitason suorituskykyvaatimuksiin, joita ovat suuri herkkyys, pieni ajoitusvirhe sekä hyvä mittaustarkkuus. Työssä kehitetty vastaanotinpiiri suunniteltiin ja valmistettiin AMS:n 0.35 µm CMOS-teknologiaan perustuen. Testauksissa käytetyn laserpulssin leveys oli 2-3 ns. Toteutetun vastaanottimen kaistanleveys on 230 MHz sekä tuloon redusoitu virtakohina 70 nArms. Vastaanottimella saavutettiin ±100 ps:n ajoitusvirhe ja 100 ps:n (SNR=12) kertamittaustarkkuus laajalla vastaanotinkaikupulssin dynaamisella alueella (1:50 000). Työssä mitattiin myös piirin toiminnallisuutta eri pulssin leveyksillä sekä eri lämpötiloissa.

Työssä kehitettiin myös lasertutka, jolla mitattiin vastaanotintekniikan toiminnallisuus laseretäisyysmittausympäristössä. Mittauksissa tulokaiun voimakkuutta pystyttiin säätämään 1:300 000 dynaamisella alueella kohteen etäisyyttä ja heijastuskerrointa vaihtelemalla. Mittaradalla saavutettiin ±3.5 senttimetrin tarkkuus kyseisellä dynaamisella alueella.