KR20230102808A - Balanced photodetector and receiver using the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 균형 광 검출기 및 이를 이용하는 수신기에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 균형 광 검출기는, 광신호를 전기 신호로 변환하여 출력하는 4개의 포토다이오드가 하나의 쌍으로 구현된 광수신부; 상기 각 포토다이오드의 출력 신호가 전달되는 선로들이 입력에 하나씩 연결되어 입력되는 신호를 증폭하면서 노이즈를 제거하는 4개의 트랜스 임피던스 증폭기; 어느 2개의 트랜스 임피던스 증폭기의 출력 신호가 합쳐져 전달되는 선로가 반전 입력에 입력되어 반전 증폭을 수행하는 반전 증폭기; 나머지 2개의 트랜스 임피던스 증폭기의 출력 신호가 합쳐져 전달되는 선로가 비반전 입력에 입력되어 비반전 증폭을 수행하는 비반전 증폭기; 및 상기 반전 증폭기의 출력 신호가 전달되는 선로가 제1 입력에 입력되고, 상기 비반전 증폭기의 출력 신호가 전달되는 선로가 제2 입력에 입력되는 차동 증폭기;를 포함하며, 상기 차동 증폭기의 출력을 이용하여 상기 광신호에 대한 정보를 검출한다.The present invention relates to a balanced photodetector and a receiver using the same. A balanced photodetector according to an embodiment of the present invention includes: a light receiving unit implemented as a pair of four photodiodes that convert optical signals into electrical signals and output them; four transimpedance amplifiers that amplify input signals and remove noise by connecting lines through which the output signals of the photodiodes are transmitted to inputs one by one; an inverting amplifier in which a line through which output signals of two transimpedance amplifiers are combined and transmitted is input to an inverting input to perform inverting amplification; a non-inverting amplifier performing non-inverting amplification by inputting a line through which the output signals of the remaining two transimpedance amplifiers are combined and transmitted is input to a non-inverting input; and a differential amplifier having a first input input to a line through which an output signal of the inverting amplifier is transmitted and a line through which an output signal of the non-inverting amplifier is transmitted is input to a second input, wherein an output of the differential amplifier is to detect information about the optical signal.
Description
본 발명은 균형 광 검출기(balanced photodetector) 및 이를 이용하는 수신기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 성능 향상의 배열 및 구조를 가진 균형 광 검출기와, 이를 어레이 이용하여 구현된 FMCW(Frequency Modulation Continuous Wave) 방식의 3D 센서 등을 구비한 수신기에 관한 것이다.The present invention relates to a balanced photodetector and a receiver using the same, and more particularly, to a balanced photodetector having a performance-enhancing array and structure, and a frequency modulation continuous wave (FMCW) method implemented using the same. It relates to a receiver equipped with a 3D sensor or the like.
균형 광 검출기(balanced photodetector)는 2개의 입력 광에 대한 차이를 검출하는 장치이다. 종래의 경우, 수광소자 2개를 이용하여 균형 광 검출기(이하, “종래 기술”이라 지칭함)를 구현하였다. 즉, 종래 기술은 2개의 수광소자에 수신되는 광신호의 시간에 따른 광세기를 검출하여 이에 비례하는 전류 신호로 변환한다.A balanced photodetector is a device that detects the difference between two input lights. In the conventional case, a balanced light detector (hereinafter referred to as "the prior art") was implemented using two light receiving elements. That is, the prior art detects the light intensity over time of the light signal received by the two light receiving elements and converts it into a current signal proportional to the light intensity.
이러한 종래 기술은 2개 수광소자 간의 성능이 일치할수록 우수한 공통 모드 제거비(Common-Mode Rejection Ratio, CMRR)를 달성할 수 있고 그에 따라 노이즈가 감소한다. 즉, 2개 수광소자 간의 성능이 일치 여부에 따라 균형 광 검출기의 전체 성능이 결정될 수 있다. 다만, 종래 기술에서, 2개 수광소자는 따로 제작된 것이 사용되므로 그 성능 차이 발생할 수밖에 없어, 균형 광 검출기의 전체 성능이 떨어진다.In this prior art, as the performances of two light receiving elements match, an excellent Common-Mode Rejection Ratio (CMRR) can be achieved, and noise is reduced accordingly. That is, the overall performance of the balanced photodetector may be determined depending on whether the performances of the two light receiving devices match. However, in the prior art, since two light receiving devices manufactured separately are used, a difference in performance inevitably occurs, and thus the overall performance of the balanced photodetector is deteriorated.
특히, 이러한 2개 수광소자를 구비한 종래 기술이 FMCW(Frequency Modulation Continuous Wave) 방식의 3D 센서 기반 라이다(LiDAR) 수신기 등에 적용되는 경우, 수광소자들의 배열 특성으로 인해 실제 송신 이미지와 해당 수신기에서 센싱된 이미지(즉, 수신 이미지) 간에 차이가 크게 날 수 있다.In particular, when the conventional technology having these two light-receiving elements is applied to a 3D sensor-based LiDAR receiver of FMCW (Frequency Modulation Continuous Wave) method, due to the arrangement of the light-receiving elements, the actual transmitted image and the corresponding receiver There may be a large difference between sensed images (ie, received images).
다만, 상술한 내용은 단순히 본 발명에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 기 공개된 기술에 해당하는 것은 아니다.However, the above information merely provides background information on the present invention and does not correspond to previously disclosed technologies.
상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 광신호 처리 성능 향상을 위한 배열 및 구조를 가지는 균형 광 검출기 기술을 제공하는데 그 목적이 있다.In order to solve the problems of the prior art as described above, an object of the present invention is to provide a balanced photodetector technology having an arrangement and structure for improving optical signal processing performance.
또한, 본 발명은 송수신 이미지 간의 차이를 줄여 FMCW(Frequency Modulation Continuous Wave) 방식의 3D 센서 주파수 수신용 어레이(array) 등에 적용 가능한 균형 광 검출기를 제공하는데 그 다른 목적이 있다.In addition, another object of the present invention is to provide a balanced photodetector applicable to a 3D sensor frequency reception array of FMCW (Frequency Modulation Continuous Wave) method by reducing the difference between transmitted and received images.
다만, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the problem to be solved by the present invention is not limited to the above-mentioned problems, and other problems not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the description below. There will be.
상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 균형 광 검출기는, 광신호를 전기 신호로 변환하여 출력하는 4개의 포토다이오드가 하나의 쌍으로 구현된 광수신부; 상기 각 포토다이오드의 출력 신호가 전달되는 선로들이 입력에 하나씩 연결되어 입력되는 신호를 증폭하면서 노이즈를 제거하는 4개의 트랜스 임피던스 증폭기; 어느 2개의 트랜스 임피던스 증폭기의 출력 신호가 합쳐져 전달되는 선로가 반전 입력에 입력되어 반전 증폭을 수행하는 반전 증폭기; 나머지 2개의 트랜스 임피던스 증폭기의 출력 신호가 합쳐져 전달되는 선로가 비반전 입력에 입력되어 비반전 증폭을 수행하는 비반전 증폭기; 및 상기 반전 증폭기의 출력 신호가 전달되는 선로가 제1 입력에 입력되고, 상기 비반전 증폭기의 출력 신호가 전달되는 선로가 제2 입력에 입력되는 차동 증폭기;를 포함하며, 상기 차동 증폭기의 출력을 이용하여 상기 광신호에 대한 정보를 검출한다.A balanced photodetector according to an embodiment of the present invention for solving the above problems includes a light receiving unit implemented as a pair of four photodiodes that convert optical signals into electrical signals and output them; four transimpedance amplifiers that amplify input signals and remove noise by connecting lines through which the output signals of the photodiodes are transmitted to inputs one by one; an inverting amplifier in which a line through which output signals of two transimpedance amplifiers are combined and transmitted is input to an inverting input to perform inverting amplification; a non-inverting amplifier performing non-inverting amplification by inputting a line through which the output signals of the remaining two transimpedance amplifiers are combined and transmitted is input to a non-inverting input; and a differential amplifier having a first input input to a line through which an output signal of the inverting amplifier is transmitted and a line through which an output signal of the non-inverting amplifier is transmitted is input to a second input, wherein an output of the differential amplifier is to detect information about the optical signal.
상기 4개의 포토다이오드는 하나의 웨이퍼 칩 내에 집적화 방식으로 구현될 수 있다.The four photodiodes may be implemented in an integrated manner in one wafer chip.
상기 4개의 포토다이오드는 2행 2열(2×2)의 어레이 구조를 가질 수 있다.The four photodiodes may have an array structure of 2 rows and 2 columns (2×2).
어느 2개의 포토다이오드의 출력 신호는 상기 반전 증폭기를 통해 신호 위상이 반전되며, 나머지 2개의 포토다이오드의 출력 신호는 상기 비반전 증폭기를 통해 신호 위상이 유지될 수 있다.Signal phases of output signals of two photodiodes may be inverted through the inverting amplifier, and signal phases of output signals of the remaining two photodiodes may be maintained through the non-inverting amplifier.
상기 반전 증폭기 및 상기 비반전 증폭기는 각각 피드백 저항이 가변 저항으로 구현될 수 있다.In each of the inverting amplifier and the non-inverting amplifier, a feedback resistor may be implemented as a variable resistor.
상기 각 가변 저항의 저항 조절에 의해 상기 제1 입력에 입력되는 반전 신호와 상기 제2 입력에 입력되는 비반전 신호의 비율이 조절될 수 있다.A ratio between an inverted signal input to the first input and a non-inverted signal input to the second input may be adjusted by adjusting the resistance of each variable resistor.
본 발명의 일 실시예에 따른 수신기는 FMCW(Frequency Modulation Continuous Wave)의 광신호를 수신하는 다수의 셀을 포함하는 수신기로서, 상기 다수의 셀은 다수의 균형 광 검출기(balanced photodetector)를 이용하여 구현되며, 하나의 균형 광 검출기는, 광신호를 전기 신호로 변환하여 출력하는 4개의 포토다이오드가 하나의 쌍으로 구현된 광수신부; 상기 각 포토다이오드의 출력 신호가 전달되는 선로들이 입력에 하나씩 연결되어 입력되는 신호를 증폭하면서 노이즈를 제거하는 4개의 트랜스 임피던스 증폭기; 어느 2개의 트랜스 임피던스 증폭기의 출력 신호가 합쳐져 전달되는 선로가 반전 입력에 입력되어 반전 증폭을 수행하는 반전 증폭기; 나머지 2개의 트랜스 임피던스 증폭기의 출력 신호가 합쳐져 전달되는 선로가 비반전 입력에 입력되어 비반전 증폭을 수행하는 비반전 증폭기; 및 상기 반전 증폭기의 출력 신호가 전달되는 선로가 제1 입력에 입력되고, 상기 비반전 증폭기의 출력 신호가 전달되는 선로가 제2 입력에 입력되는 차동 증폭기;를 포함한다..A receiver according to an embodiment of the present invention is a receiver including a plurality of cells receiving an optical signal of a frequency modulation continuous wave (FMCW), and the plurality of cells are implemented using a plurality of balanced photodetectors. One balanced photodetector includes a light receiving unit implemented as a pair of four photodiodes that convert optical signals into electrical signals and output them; four transimpedance amplifiers that amplify input signals and remove noise by connecting lines through which the output signals of the photodiodes are transmitted to inputs one by one; an inverting amplifier in which a line through which output signals of two transimpedance amplifiers are combined and transmitted is input to an inverting input to perform inverting amplification; a non-inverting amplifier performing non-inverting amplification by inputting a line through which the output signals of the remaining two transimpedance amplifiers are combined and transmitted is input to a non-inverting input; and a differential amplifier having a first input input to a line through which the output signal of the inverting amplifier is transmitted and a line through which the output signal of the non-inverting amplifier is transmitted is input to a second input.
본 발명의 일 실시예에 따른 수신기는 라이다(LiDAR)의 용도로 사용될 수 있다.A receiver according to an embodiment of the present invention may be used for LiDAR.
상기 다수의 셀은 상기 라이다의 3D 센서 또는 4D 센서를 구현할 수 있다.The plurality of cells may implement a 3D sensor or a 4D sensor of the lidar.
상기 4개의 포토다이오드는 2행 2열(2×2)의 어레이 구조를 가지며, 하나의 웨이퍼 칩 내에 집적화 방식으로 구현될 수 있다.The four photodiodes have an array structure of 2 rows and 2 columns (2×2), and may be implemented in an integrated manner within a single wafer chip.
상기와 같이 구성되는 본 발명은 광신호 처리 성능 향상을 위한 배열 및 구조를 가지는 이점이 있다.The present invention configured as described above has an advantage of having an arrangement and structure for improving optical signal processing performance.
또한, 본 발명은 송수신 이미지 간의 차이를 줄여 FMCW(Frequency Modulation Continuous Wave) 방식의 3D 센서 주파수 수신용 어레이(array) 등에 적용 가능한 이점이 있다.In addition, the present invention has the advantage of being applicable to a 3D sensor frequency receiving array of FMCW (Frequency Modulation Continuous Wave) method by reducing the difference between transmitted and received images.
또한, 본 발명은 4개의 포토다이오드가 하나의 웨이퍼 칩으로 집적화됨에 수신 신호에 대한 뛰어난 정확도와 깊이 분해능을 구현할 수 있는 이점이 있다.In addition, the present invention has an advantage of implementing excellent accuracy and depth resolution for a received signal because four photodiodes are integrated into one wafer chip.
또한, 본 발명은 4개의 포토다이오드를 2X2 어레이 구조를 가짐에 따라, 광학 센서에 적용 시 균일한 센싱이 가능하며, 라이다의 3D 센서 또는 4D 센서에 적용 가능한 어레이 구조를 가지는 이점이 있다.In addition, since the present invention has a 2X2 array structure of four photodiodes, uniform sensing is possible when applied to an optical sensor, and has an advantage of having an array structure applicable to a 3D sensor or a 4D sensor of LiDAR.
즉, 본 발명은 4개의 포토다이오드를 하나의 쌍으로 구동회로와 집적화한 균형 광 검출기를 구현함으로써 이를 광학 센서에 적용될 경우 기존 균형 광 검출기 보다 뛰어난 성능 및 기능을 발휘할 수 있는 이점이 있다.That is, the present invention implements a balanced photodetector in which four photodiodes are integrated with a driving circuit as a pair, and when applied to an optical sensor, there is an advantage in that it can exhibit superior performance and function than conventional balanced photodetectors.
또한, 본 발명은 외부 요인으로 약해질 수 있는 광신호의 세기를 회로적 제어를 통해 출력 신호의 증폭이 가능하고 우수한 CMRR(Common-Mode Rejection Ratio)을 달성하며 노이즈가 감소되면서 장치 전체 성능을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.In addition, the present invention can amplify the output signal through circuit control of the intensity of the optical signal, which can be weakened by external factors, achieves excellent Common-Mode Rejection Ratio (CMRR), and improves overall performance of the device while reducing noise There are advantages to doing so.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The effects obtainable in the present invention are not limited to the effects mentioned above, and other effects not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the description below. will be.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 균형 광 검출기(100)의 대략적인 블록 구성도를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 균형 광 검출기의 대략적인 회로도를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 라이다(1)의 구성도를 나타낸다.1 shows a schematic block diagram of a
2 shows a schematic circuit diagram of a balanced photodetector according to an embodiment of the present invention.
3 shows a configuration diagram of a
본 발명의 상기 목적과 수단 및 그에 따른 효과는 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.The above objects and means of the present invention and the effects thereof will become clearer through the following detailed description in conjunction with the accompanying drawings, and accordingly, those skilled in the art to which the present invention belongs can easily understand the technical idea of the present invention. will be able to carry out. In addition, in describing the present invention, if it is determined that a detailed description of a known technology related to the present invention may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description will be omitted.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며, 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 경우에 따라 복수형도 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다", “구비하다”, “마련하다” 또는 “가지다” 등의 용어는 언급된 구성요소 외의 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.Terms used in this specification are for describing the embodiments and are not intended to limit the present invention. In this specification, singular forms also include plural forms in some cases unless otherwise specified in the text. In this specification, terms such as "comprise", "have", "provide" or "have" do not exclude the presence or addition of one or more other elements other than the mentioned elements.
본 명세서에서, “또는”, “적어도 하나” 등의 용어는 함께 나열된 단어들 중 하나를 나타내거나, 또는 둘 이상의 조합을 나타낼 수 있다. 예를 들어, “A 또는 B”“A 및 B 중 적어도 하나”는 A 또는 B 중 하나만을 포함할 수 있고, A와 B를 모두 포함할 수도 있다.In this specification, terms such as “or” and “at least one” may represent one of the words listed together, or a combination of two or more. For example, "A or B" and "at least one of A and B" may include only one of A or B, or may include both A and B.
본 명세서에서, “예를 들어” 등에 따르는 설명은 인용된 특성, 변수, 또는 값과 같이 제시한 정보들이 정확하게 일치하지 않을 수 있고, 허용 오차, 측정 오차, 측정 정확도의 한계와 통상적으로 알려진 기타 요인을 비롯한 변형과 같은 효과로 본 발명의 다양한 실시 예에 따른 발명의 실시 형태를 한정하지 않아야 할 것이다.In this specification, descriptions following "for example" may not exactly match the information presented, such as cited characteristics, variables, or values, and tolerances, measurement errors, limits of measurement accuracy and other commonly known factors It should not be limited to the embodiments of the present invention according to various embodiments of the present invention with effects such as modifications including.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결되어’ 있다거나 '접속되어' 있다고 기재된 경우, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성 요소에 '직접 연결되어' 있다거나 '직접 접속되어' 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해될 수 있어야 할 것이다.In this specification, when a component is described as being 'connected' or 'connected' to another component, it may be directly connected or connected to the other component, but there may be other components in the middle. It should be understood that it may be On the other hand, when a component is referred to as 'directly connected' or 'directly connected' to another component, it should be understood that no other component exists in the middle.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소의 '상에' 있다거나 '접하여' 있다고 기재된 경우, 다른 구성요소에 상에 직접 맞닿아 있거나 또는 연결되어 있을 수 있지만, 중간에 또 다른 구성요소가 존재할 수 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면, 어떤 구성요소가 다른 구성요소의 '바로 위에' 있다거나 '직접 접하여' 있다고 기재된 경우에는, 중간에 또 다른 구성요소가 존재하지 않은 것으로 이해될 수 있다. 구성요소 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 예를 들면, '~사이에'와 '직접 ~사이에' 등도 마찬가지로 해석될 수 있다.In the present specification, when an element is described as being 'on' or 'in contact with' another element, it may be in direct contact with or connected to the other element, but another element may be present in the middle. It should be understood that On the other hand, if an element is described as being 'directly on' or 'directly in contact with' another element, it may be understood that another element in the middle does not exist. Other expressions describing the relationship between components, such as 'between' and 'directly between', can be interpreted similarly.
본 명세서에서, '제1', '제2' 등의 용어는 다양한 구성요소를 설명하는데 사용될 수 있지만, 해당 구성요소는 위 용어에 의해 한정되어서는 안 된다. 또한, 위 용어는 각 구성요소의 순서를 한정하기 위한 것으로 해석되어서는 안되며, 하나의 구성요소와 다른 구성요소를 구별하는 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, '제1구성요소'는 '제2구성요소'로 명명될 수 있고, 유사하게 '제2구성요소'도 '제1구성요소'로 명명될 수 있다.In this specification, terms such as 'first' and 'second' may be used to describe various elements, but the elements should not be limited by the above terms. In addition, the above terms should not be interpreted as limiting the order of each component, and may be used for the purpose of distinguishing one component from another. For example, a 'first element' may be named a 'second element', and similarly, a 'second element' may also be named a 'first element'.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또한, 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다. Unless otherwise defined, all terms used in this specification may be used in a meaning commonly understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs. In addition, terms defined in commonly used dictionaries are not interpreted ideally or excessively unless explicitly specifically defined.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일 실시예를 상세히 설명하도록 한다.Hereinafter, a preferred embodiment according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 균형 광 검출기(100)의 대략적인 블록 구성도를 나타내며, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 균형 광 검출기의 대략적인 회로도를 나타낸다.1 shows a schematic block diagram of a
본 발명의 일 실시예에 따른 균형 광 검출기(balanced photodetector)(100)는 성능 향상을 위한 배열 및 구조를 가지는 광 검출기로서, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 광수신부(110), 트랜스 임피던스 증폭기(trans-impedance amplifier)(120, 130, 140, 150), 비반전 증폭기(non-inverting amplifier)(160), 반전 증폭기(inverting amplifier)(170) 및 차동 증폭기(differential amplifier)(180)를 포함하며, 차동 증폭기(180)의 출력을 이용하여 광수신부(110)에 수신되는 광신호에 대한 정보를 검출할 수 있다.A
이러한 균형 광 검출기(100)는 후술할 라이다(LiDAR) 등의 수신기에 포함될 수 있다. 즉, 해당 수신기는 광신호를 수신하여 감지하는 3D 센서 또는 4D 센서를 포함하는데, 이러한 3D 센서 또는 4D 센서는 다수의 셀을 포함하고, 이때 각 셀은 균형 광 검출기(100)를 이용하여 구현될 수 있다.The
광수신부(110)는 수광소자를 통해 광신호를 수신하여 전기 신호로 변환하는 부분이다. 이에 따라, 광수신부(110)는 하나의 쌍으로 구현된 4개의 포토다이오드(photodiode)(111, 112, 113, 114)를 포함한다. 즉, 각 포토다이오드(111, 112, 113, 114)들은 광신호를 전기 신호로 변환하여 출력한다. The
이러한 4개의 포토다이오드(111, 112, 113, 114)는 2행 2열(2×2)의 어레이 구조를 가진다. 이러한 2×2의 어레이 구조는 광신호에 대해 하나의 셀에서 상호 보완적으로 작용 가능하여 광학 센서에 적용 시 균일한 센싱이 가능하게 한다. 또한, 2×2의 어레이 구조는 라이다의 3D 센서 또는 4D 센서에 적용 가능한 어레이 구조를 구현하며, 광신호에 대한 뛰어난 정확도와 깊이 분해능이 가능하게 한다.These four
한편, 종래 기술의 균형 광 검출기의 경우, 보통 2개의 수광소자를 포함하는데, 이러한 2개의 수광소자는 각각 별도로 제작된 것이 사용됨에 따라 그 성능 차이가 발생하여 균형 광 검출기의 전체 성능이 떨어지는 문제점이 있었다.On the other hand, in the case of the prior art balanced photodetector, it usually includes two light-receiving elements, and since these two light-receiving elements are separately manufactured, a difference in performance occurs, resulting in a problem in that the overall performance of the balanced photodetector is lowered. there was.
이를 해결하기 위해, 본 발명에서는 수광소자인 4개의 포토다이오드(111, 112, 113, 114)가 하나의 웨이퍼 칩 내에 집적화 방식으로 구현되는 것이 바람직하다. 물론, 4개의 포토다이오드(111, 112, 113, 114)는 그 구동회로와 함께 집적화될 수 있다. 4개의 포토다이오드(111, 112, 113, 114)들이 하나의 웨이퍼 칩으로 집적화됨에 따라, 이들 포토다이오드(111, 112, 113, 114) 간의 성능 차이가 줄어들면서 우수한 공통 모드 제거비(Common-Mode Rejection Ratio, CMRR)의 달성이 가능하며, 이에 따라 광신호에 대한 노이즈를 감소시켜 전 균형 광 검출기(100)의 전체 성능을 향상시킬 수 있다. In order to solve this problem, in the present invention, it is preferable that four
트랜스 임피던스 증폭기(120, 130, 140, 150)는 포토다이오드(111, 112, 113, 114)에서 발생된 전기적 신호를 증폭하면서 노이즈를 감소시키는 작용(이하, “제1 작용”이라 지칭함)을 한다. 이때, 트랜스 임피던스 증폭기(120, 130, 140, 150)는 저잡음 특성과 신호 증폭 특성을 동시에 만족해야 하고, 이후 회로에서의 전기적 신호에 대한 특성을 결정한다. 이때, 트랜스 임피던스 증폭기(120, 130, 140, 150)는 포토다이오드(111, 112, 113, 114)에 대응하여 연결되도록 4개가 마련된다. The
트랜스 임피던스 증폭기(120, 130, 140, 150)는 각 포토다이오드(111, 112, 113, 114)의 출력 신호가 전달되는 선로들이 입력에 하나씩 연결되며, 입력되는 신호를 증폭하면서 노이즈를 제거한다. 즉, 제1 트랜스 임피던스 증폭기(120)에는 제1 포토다이오드(111)의 출력 신호가 전달되어 제1 작용이 발생하고, 제2 트랜스 임피던스 증폭기(130)에는 제2 포토다이오드(112)의 출력 신호가 전달되어 제1 작용이 발생한다. 또한, 제3 트랜스 임피던스 증폭기(130)에는 제3 포토다이오드(113)의 출력 신호가 전달되어 제1 작용이 발생하고, 제4 트랜스 임피던스 증폭기(140)에는 제4 포토다이오드(114)의 출력 신호가 전달되어 제1 작용이 발생한다.In the
일례로, 각 트랜스 임피던스 증폭기(120, 130, 140, 150)는 반전 입력에 각 포토다이오드(111, 112, 113, 114)의 출력 신호가 입력될 수 있고, 비반전 입력은 접지에 연결될 수 있다. 또한, 각 트랜스 임피던스 증폭기(120, 130, 140, 150)는 출력과 반전 입력의 사이에 피드백 저항이 연결될 수 있으며, 이러한 피드백 저항에 추가적으로 커패시터가 연결될 수도 있다. 물론, 필요에 따라, 각 포토다이오드(111, 112, 113, 114)의 출력 신호의 선로와 각 트랜스 임피던스 증폭기(120, 130, 140, 150)의 반전 입력의 사이에는 저항 등의 다른 추가적인 소자가 연결될 수도 있다.For example, each of the
이러한 4개의 트랜스 임피던스 증폭기(120, 130, 140, 150) 중에 2개의 제1 및 제2 트랜스 임피던스 증폭기(120, 130)의 각 출력 신호는 합쳐지면서 비반전 증폭기(160)로 전달되며, 나머지 2개의 제3 및 제4 트랜스 임피던스 증폭기(140, 150)의 각 출력 신호는 합쳐지면서 반전 증폭기(170)로 전달된다.Among the four
비반전 증폭기(160)는 제1 및 제2 트랜스 임피던스 증폭기(120, 130)의 각 출력 신호에 대해 비반전 증폭을 수행한다. 즉, 제1 및 제2 트랜스 임피던스 증폭기(120, 130)의 각 출력 신호가 합쳐져 전달되는 선로는 비반전 증폭기(160)의 비반전 입력에 입력되고 비반전 증폭기(160)의 반전 입력이 접지에 연결되면서 그 합쳐진 출력 신호에 대한 비반전 증폭이 수행된다. 또한, 비반전 증폭기(160)는 출력과 비반전 입력의 사이에 피드백 저항(RV1)이 연결될 수 있다. 물론, 필요에 따라, 제1 및 제2 트랜스 임피던스 증폭기(120, 130)의 출력 신호의 선로와 비반전 증폭기(160)의 비반전 입력의 사이에는 저항 등의 다른 추가적인 소자가 연결될 수도 있다.The
반전 증폭기(170)는 제3 및 제4 트랜스 임피던스 증폭기(140, 150)의 각 출력 신호에 대해 반전 증폭을 수행한다. 즉, 제3 및 제4 트랜스 임피던스 증폭기(140, 150)의 각 출력 신호가 합쳐져 전달되는 선로는 반전 증폭기(170)의 반전 입력에 입력되고 반전 증폭기(170)의 비반전 입력이 접지에 연결되면서 그 합쳐진 출력 신호에 대한 반전 증폭이 수행된다. 또한, 반전 증폭기(170)는 출력과 반전 입력의 사이에 피드백 저항(RV2)이 연결될 수 있다. 물론, 필요에 따라, 제3 및 제4 트랜스 임피던스 증폭기(140, 150)의 출력 신호의 선로와 반전 증폭기(170)의 반전 입력의 사이에는 저항 등의 다른 추가적인 소자가 연결될 수도 있다.The inverting
차동 증폭기(180)는 비반전 증폭기(160)의 출력 신호가 전달되는 선로가 제1 입력에 입력되고, 반전 증폭기(170)의 출력 신호가 전달되는 선로가 제2 입력에 입력되며, 제1 입력 신호와 제2 입력 신호의 전압차를 증폭한다. 이때, 차동 증폭기(180)의 반전 입력 및 비반전 입력 중에 하나가 제1 입력이고 나머지 하나가 제2 입력이다. In the
이후, 차동 증폭기(180)에서 차동 증폭되어 출력되는 신호는 광수신부(110)에서 수신된 광신호에 대한 정보를 검출하기 위해 사용될 수 있다. 일례로, 라이다(LiDAR)의 신호처리부에서는 수신부의 각 셀의 출력 신호, 즉 차동 증폭기(180)의 출력 신호를 이용하여 수신된 광신호에 대한 정보를 검출하도록 처리할 수 있다.Thereafter, a signal output after being differentially amplified by the
즉, 본 발명에서, 어느 2개의 포토다이오드의 출력 신호는 반전 증폭기(170)를 통해 신호 위상이 반전되며, 나머지 2개의 포토다이오드의 출력 신호는 비반전 증폭기(160)를 통해 신호 위상이 유지된다. 이와 같이 신호 위상이 반대인 2개의 신호는 차동 증폭기(180)를 통해 추가 증폭될 수 있다. That is, in the present invention, the signal phases of the output signals of two photodiodes are inverted through the inverting
한편, 비반전 증폭기(160)의 피드백 저항(RV1)과 반전 증폭기(170)의 피드백 저항(RV2)은 각각 가변 저항으로 구현될 수도 있다. 이 경우, 각 가변 저항(RV1, RV2)의 저항 조절을 통해, 차동 증폭기(180)의 제1 입력에 입력되는 비반전 신호와 차동 증폭기(180)의 제2 입력에 입력되는 반전 신호의 비율이 조절되면서 그 증폭 정도가 쉽게 조절될 수 있다. 이에 따라, 본 발명은 외부 요인으로 약해질 수 있는 광신호의 세기를 가변 저항(RV1, RV2)의 저항 조절과 같은 회로적 제어를 통해 출력 신호의 증폭이 가능하다. 또한, 비반전된 신호와 반전된 신호가 차분 증폭기(180)를 통해 노이즈가 감소되면서 우수한 정확도와 깊은 분해능을 구현할 수 있다.Meanwhile, the feedback resistance R V1 of the
특히, 광수신부(110)에 전달되는 광신호는 FMCW(Frequency Modulation Continuous Wave)의 광신호일 수 있으며, 라이다(LiDAR)의 광신호일 수 있다.In particular, the optical signal transmitted to the
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 라이다(1)의 구성도를 나타낸다.3 shows a configuration diagram of a
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 라이다(1)는 레이저 광을 이용하여 오브젝트(OB)에 대한 정보를 생성할 수 있는 센서 장치이다. 일례로, 라이다(1)는 구동식 또는 비구동식으로 구현될 수 있다. 구동식의 경우, 모터에 의해 회전되며, 주변의 오브젝트(OB)를 검출할 수 있다. 비구동식인 경우, 광 스티어링에 의해 소정 범위 내에 위치하는 오브젝트(OB)를 검출할 수 있다. Meanwhile, the
또한, 라이다(1)는 레이저 광을 매개로 TOF(Time of Flight) 방식 또는 phase-shift 방식 등에 기초하여, 오브젝트(OB)를 검출하고, 검출된 오브젝트(OB)의 위치, 검출된 오브젝트(OB)와의 거리, 상대 속도 등을 검출할 수 있다. 일례로, 라이다(1)는 전방, 후방 또는 측방에 위치하는 오브젝트(OB)를 감지하기 위해 차량 등의 적절한 위치에 배치될 수 있다. 이 경우, 차량은 자율 주행 차량(Autonomous Vehicle)이거나 차량 운전자 보조 시스템(Advanced Driver Assistance System; ADAS) 등을 구비할 수 있으며, 라이다(1)에서 검출된 정보를 이용하여 자율 주행 동작 또는 차량 운전자 보조 동작 등을 수행할 수 있다.In addition, the
구체적으로, 라이다(1)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 송신기(10), 수신기(20) 및 신호 처리부(30)를 포함할 수 있다.Specifically,
송신기(10)는 FMCW(Frequency Modulation Continuous Wave) 등의 레이저 광을 발생시켜 오브젝트(OB)로 송출하는 구성이다. 이때, 송신기(10)는 레이저 광을 발생시키는 광원부와, 광원부로부터 입사되는 레이저 광의 경로를 조절하는 광학계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 광학계는 각종 렌즈, 거울, 또는 스캐너 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The
즉, 광원부는 동일한 파장 또는 서로 다른 파장의 레이저 광들을 발생시킬 수 있다. 일례로, 광원부는 다양한 파장 영역에서 특정 파장을 가지거나 파장 가변이 가능한 레이저 광을 발생시킬 수 있으며, 소형, 저전력이 가능한 반도체 레이저 다이오드를 통해 해당 구현될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. That is, the light source unit may generate laser lights having the same wavelength or different wavelengths. For example, the light source unit may generate laser light having a specific wavelength or capable of tunable wavelength in various wavelength regions, and may be implemented using a semiconductor laser diode capable of small size and low power, but is not limited thereto.
수신기(20)는 오브젝트(OB)로부터 반사된 광을 수신하는 구성이다 일례로, 수신기(20)는 포토다이오드(photodiode) 등과 같은 광전 변환 소자를 이용하여 오브젝트(OB)로부터 반사 수신된 광을 전기적인 신호(전류 등)로 변환할 수 있다. 이때, 수신기(20)의 측정 각도를 FOV(Field Of View)라 지칭할 수 있다. 또한, 수신기(20)는 반사 수신된 광의 경로를 조절하는 광학계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 광학계는 각종 렌즈, 또는 거울 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The
신호 처리부(30)는 송신기(10) 및 수신기(20)의 광에 대한 신호를 처리하는 구성이다. 즉, 신호 처리부(30)는 송신기(10) 및 수신기(20)와 전기적으로 연결되어, 수신되는 신호를 처리하고, 처리된 신호에 기초하여 오브젝트(OB)에 대한 데이터를 생성하는 프로세서를 포함할 수 있다. 이때, 신호 처리부(30)는 해당 광에 따른 데이터 수집하여 처리함으로써 오브젝트(OB)의 이격 거리 등을 계산할 수 있다.The
일례로, 신호 처리부(30)는 변화된 데이터를 time-of-flight(TOF) 방식, phase-shift 방식 등을 이용하여 신호 처리를 수행하여 오브젝트(OB)의 거리, 형상, 등을 검출할 수 있다. For example, the
이때, TOF 방식은 송신기(10)로부터 레이저 펄스 신호가 방출된 후, 탐지 범위 내에 있는 오브젝트(OB)로부터 반사된 펄스 신호가 수신기(20)에 도착하는 시간을 측정함으로써 오브젝트(OB)와의 이격 거리를 측정하는 방식이다. 또한, Phase-shift 방식은 송신기(10)에서 특정 주파수를 가지고 연속적으로 변조되는 레이저 빔을 방출한 후, 탐지 범위 내에 있는 오브젝트(OB)로부터 반사되어 되돌아오는 신호의 위상 변화량을 측정함으로써 해당 시간 및 이격 거리를 계산하는 방식이다.At this time, the TOF method measures the time for the pulse signal reflected from the object OB within the detection range to arrive at the
특히, 도 1 및 도 2에 따라 상술한 균형 광 검출기(100)는 라이다(1)의 수신기(20)에 포함될 수 있다. 즉, 수신기(20)는 오브젝트(OB)로부터 반사된 광신호를 수신하여 감지하는 3D 센서 또는 4D 센서를 포함할 수 있다. 이러한 3D 센서 또는 4D 센서는 다수의 셀을 포함하고, 이때 각 셀은 균형 광 검출기(100)를 이용하여 구현될 수 있다.In particular, the
본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관하여 설명하였으나 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되지 않으며, 후술되는 청구범위 및 이 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.In the detailed description of the present invention, specific embodiments have been described, but various modifications are possible without departing from the scope of the present invention. Therefore, the scope of the present invention is not limited to the described embodiments, and should be defined by the following claims and equivalents thereof.
1: 라이다 10: 송신기
20: 수신기 30: 신호처리부
100: 균형 광 검출기 110: 광수신부
111, 112, 113, 114: 포토다이오드
120, 130, 140, 150: 트랜스 임피던스 증폭기
160: 비반전 증폭기 170: 반전 증폭기
180: 차동 증폭기1: lidar 10: transmitter
20: receiver 30: signal processing unit
100: balanced light detector 110: light receiving unit
111, 112, 113, 114: photodiode
120, 130, 140, 150: transimpedance amplifier
160: non-inverting amplifier 170: inverting amplifier
180: differential amplifier
Claims (10)
상기 각 포토다이오드의 출력 신호가 전달되는 선로들이 입력에 하나씩 연결되어 입력되는 신호를 증폭하면서 노이즈를 제거하는 4개의 트랜스 임피던스 증폭기;
어느 2개의 트랜스 임피던스 증폭기의 출력 신호가 합쳐져 전달되는 선로가 반전 입력에 입력되어 반전 증폭을 수행하는 반전 증폭기;
나머지 2개의 트랜스 임피던스 증폭기의 출력 신호가 합쳐져 전달되는 선로가 비반전 입력에 입력되어 비반전 증폭을 수행하는 비반전 증폭기; 및
상기 반전 증폭기의 출력 신호가 전달되는 선로가 제1 입력에 입력되고, 상기 비반전 증폭기의 출력 신호가 전달되는 선로가 제2 입력에 입력되는 차동 증폭기;를 포함하며,
상기 차동 증폭기의 출력을 이용하여 상기 광신호에 대한 정보를 검출하는 균형 광 검출기.
an optical receiver implemented as a pair of four photodiodes that convert optical signals into electrical signals and output them;
four transimpedance amplifiers that amplify input signals and remove noise by connecting lines through which the output signals of the photodiodes are transmitted to inputs one by one;
an inverting amplifier in which a line through which output signals of two transimpedance amplifiers are combined and transmitted is input to an inverting input to perform inverting amplification;
a non-inverting amplifier performing non-inverting amplification by inputting a line through which the output signals of the remaining two transimpedance amplifiers are combined and transmitted is input to a non-inverting input; and
A differential amplifier having a first input input to a line through which the output signal of the inverting amplifier is transmitted and a line through which the output signal of the non-inverting amplifier is transmitted is input to a second input,
A balanced photodetector for detecting information about the optical signal using an output of the differential amplifier.
상기 4개의 포토다이오드는 하나의 웨이퍼 칩 내에 집적화 방식으로 구현된 균형 광 검출기.
According to claim 1,
A balanced photodetector in which the four photodiodes are integrated in one wafer chip.
상기 4개의 포토다이오드는 2행 2열(2×2)의 어레이 구조를 가지는 균형 광 검출기.
According to claim 1,
The four photodiodes have a balanced photodetector having an array structure of 2 rows and 2 columns (2×2).
어느 2개의 포토다이오드의 출력 신호는 상기 반전 증폭기를 통해 신호 위상이 반전되며, 나머지 2개의 포토다이오드의 출력 신호는 상기 비반전 증폭기를 통해 신호 위상이 유지되는 균형 광 검출기.
According to claim 1,
A balanced photodetector in which signal phases of output signals of two photodiodes are inverted through the inverting amplifier, and signal phases of output signals of the remaining two photodiodes are maintained through the non-inverting amplifier.
상기 반전 증폭기 및 상기 비반전 증폭기는 각각 피드백 저항이 가변 저항으로 구현되는 균형 광 검출기.
According to claim 4,
The inverting amplifier and the non-inverting amplifier are each a balanced photodetector in which a feedback resistor is implemented as a variable resistor.
상기 각 가변 저항의 저항 조절에 의해 상기 제1 입력에 입력되는 반전 신호와 상기 제2 입력에 입력되는 비반전 신호의 비율이 조절되는 균형 광 검출기.
According to claim 5,
A balanced photodetector in which a ratio between an inverted signal input to the first input and a non-inverted signal input to the second input is adjusted by adjusting the resistance of each variable resistor.
상기 다수의 셀은 다수의 균형 광 검출기(balanced photodetector)를 이용하여 구현되며,
하나의 균형 광 검출기는,
광신호를 전기 신호로 변환하여 출력하는 4개의 포토다이오드가 하나의 쌍으로 구현된 광수신부;
상기 각 포토다이오드의 출력 신호가 전달되는 선로들이 입력에 하나씩 연결되어 입력되는 신호를 증폭하면서 노이즈를 제거하는 4개의 트랜스 임피던스 증폭기;
어느 2개의 트랜스 임피던스 증폭기의 출력 신호가 합쳐져 전달되는 선로가 반전 입력에 입력되어 반전 증폭을 수행하는 반전 증폭기;
나머지 2개의 트랜스 임피던스 증폭기의 출력 신호가 합쳐져 전달되는 선로가 비반전 입력에 입력되어 비반전 증폭을 수행하는 비반전 증폭기; 및
상기 반전 증폭기의 출력 신호가 전달되는 선로가 제1 입력에 입력되고, 상기 비반전 증폭기의 출력 신호가 전달되는 선로가 제2 입력에 입력되는 차동 증폭기;를 포함하며,
상기 차동 증폭기의 출력을 이용하여 상기 광신호에 대한 정보를 검출하는 수신기.
A receiver including a plurality of cells for receiving an optical signal of FMCW (Frequency Modulation Continuous Wave),
The plurality of cells are implemented using a plurality of balanced photodetectors,
One balanced photodetector,
an optical receiver implemented as a pair of four photodiodes that convert optical signals into electrical signals and output them;
four transimpedance amplifiers that amplify input signals and remove noise by connecting lines through which the output signals of the photodiodes are transmitted to inputs one by one;
an inverting amplifier in which a line through which output signals of two transimpedance amplifiers are combined and transmitted is input to an inverting input to perform inverting amplification;
a non-inverting amplifier in which a line through which the output signals of the remaining two transimpedance amplifiers are combined and delivered is input to a non-inverting input to perform non-inverting amplification; and
A differential amplifier having a first input input to a line through which the output signal of the inverting amplifier is transmitted and a line through which the output signal of the non-inverting amplifier is transmitted is input to a second input,
A receiver for detecting information on the optical signal using an output of the differential amplifier.
라이다(LiDAR)의 용도로 사용되는 수신기.
According to claim 7,
A receiver used for the purpose of LiDAR.
상기 다수의 셀은 상기 라이다의 3D 센서 또는 4D 센서를 구현하는 수신기.
According to claim 8,
The plurality of cells is a receiver implementing a 3D sensor or a 4D sensor of the lidar.
상기 4개의 포토다이오드는 2행 2열(2×2)의 어레이 구조를 가지며, 하나의 웨이퍼 칩 내에 집적화 방식으로 구현된 수신기.According to claim 7,
The four photodiodes have an array structure of 2 rows and 2 columns (2×2) and are implemented in an integrated manner in one wafer chip.
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KR1020210193229A KR20230102808A (en) | 2021-12-30 | 2021-12-30 | Balanced photodetector and receiver using the same |
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Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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KR20210013076A (en) | 2018-05-10 | 2021-02-03 | 아워스 테크놀로지, 아이엔씨. | LIDAR system based on multi-channel laser module for simultaneous beam scanning in target environment |
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- 2021-12-30 KR KR1020210193229A patent/KR20230102808A/en not_active Application Discontinuation
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