Design of hybrid optical receiver with wide dynamic input range

Abstract

This PhD thesis presents the integrated-circuit design of the hybrid optical receiver suitable for the laser range measurement based on the pulsed time-of- fight (TOF) principle. The TOF-based system directly measures the time required for the laser pulse to travel from a source to a target and back to the receiver. The distance is then calculated using the known velocity of light. One of the main problems at the receiver side of the TOF-based systems is the high-dynamic range of the optical signal due to different ranges and reflection properties of target objects. Using a linear optical receiver in such a case becomes problematic, because high-power optical pulses generate excessive photocurrents in a photodetector and these can then easily saturate the optical receiver and make it insensitive to the next optical signals. The saturation also significantly extends pulse responses of the optical receiver, and thus limits the overall performance of the laser measurement system. Presented hybrid optical receiver overcomes these problems by using a two-stage logarithmic compression of the input current. Thanks to this idea, the input-current range of more than 130dB is achieved by 250MHz bandwidth and 2pF input capacitance. Moreover, the highest input current, possible to be processed by this hybrid optical receiver, is more than 200mA. The proposed design contains the analog-design challenges such as dynamic compression for maintaining the stability over the full input-current range, fast input-current drivers able to provide more than 200mA, a circuit for monitoring high input currents in the compression region, and others. The design is implemented in 0.35um SiGe BiCMOS technology and occupies 1.447mm2.<br />

Das Thema dieser Arbeit behandelt das Design eines hybrid- optischen Empfängers für die Laser-Abstandsmessung, die auf dem Puls- Laufzeitverfahren (eng. time-of-light, TOF) basiert. Ein TOF System misst direkt die Laufzeit des optischen Pulses von der Laserquelle zum Ziel und wieder zurück zum Empfänger. Der Abstand des Zieles vom Empfänger kann anschließend mittels der Lichtgeschwindigkeit berechnet werden. Eines der wesentlichen Probleme auf der Seite des optischen Empfängers ist der hohe Dynamikbereich des empfangenen optischen Signals, aufgrund der unterschiedlichen Entfernungen und Reflektionseigenschaften der Zielobjekte. Die Verwendung eines linearen optischen Empfängers ist in diesem Fall nicht zielführend, weil die extrem hohen Photoströme im Photodetektor durch die intensiven optischen Pulse generiert werden. Der optische Empfänger wird in die Sättigung getrieben, was zu einer Verbreitung der Pulsantwort führt und somit die Eigenschaften des Laser-Messsystems limitiert. Der präsentierte optische Empfänger bewältigt diese Herausforderungen mittels zweistufiger logarithmischer Kompression des Eingangsstromes. Mit diesem Konzept wird ein Dynamikbereich des Eingangsstromes von 130dB erreicht bei 250MHz Bandbreite und einer Eingangskapazität von 2pF. Der maximal detektierbare Eingangsstrom beträgt mehr als 200mA. Das präsentierte Analogdesign enthält integrierte Schaltungen zur dynamischen Kompensation des Empfängers für die Stabilität im ganzen Eingangsstrombereich, sowie schnelle 200mA Stromtreiber, eine Schaltung für die Beobachtung der hohen Eingangsströme im Kompressionsbereich des Empfängers, und weitere Schaltungen. Der entworfene Empfänger ist in einer 0.35um SiGe BiCMOS Technologie produziert und benötigt eine Chipfläche von 1.447mm2.