KR20130116567A - 레이저 거리 측정용 애벌런치 광 다이오드 검출 장치 - Google Patents

레이저 거리 측정용 애벌런치 광 다이오드 검출 장치 Download PDF

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Abstract

브레이크다운 전압(breakdown voltage)보다 낮은 바이어스 전압(bias voltage)에 의해 구동되어 신호를 검출하는 애벌런치 광 다이오드(avalanche photo diode)를 포함하는 신호 검출부와, 상기 애벌런치 광 다이오드에서 검출된 신호를 증폭하는 증폭 소자 및 상기 증폭 소자의 출력단과 입력단 간에 구비되는 피드백 저항(feedback resistance) RF를 포함하는 임피던스 변환 증폭부(trans-impedance amplifier, TIA)와, 상기 임피던스 변환 증폭부에서 증폭된 신호를 가변 이득에 따라 증폭하는 가변 이득 증폭부(variable gain amplifier, VGA)를 구성한다. 상기와 같은 레이저 거리 측정용 애벌런치 광 다이오드 검출 장치에 의하면, 애벌런치 광 다이오드의 바이어스 전압을 브레이크다운 전압 보다 많이 낮은 영역으로 낮추고 애벌런치 광 다이오드 칩의 출력 신호를 높은 증폭률로 증폭함으로써, 높은 이득을 구현하는 효과가 있다. 이때, 임피더스 변환 증폭부의 증폭을 위해 피드백 저항 RF의 저항치를 증가시키는 대신 그 입력 커패시턴스 CI를 감소시키도록 구성됨으로써, 높은 이득의 구현과 더불어 애벌런치 광 다이오드의 대역폭이 줄어드는 것을 방지하는 효과가 있다.

Description

레이저 거리 측정용 애벌런치 광 다이오드 검출 장치{BIAS VOLTAGE SETTING APPRATUS OF AVALANCHE PHOTO DIODE DETECTOR FOR LASER RANGE FINDER}
본 발명은 애벌런치 광 다이오드 검출 장치에 관한 것으로서, 좀 더 상세하게는 레이저 거리 측정용 애벌런치 광 다이오드 검출 장치에 관한 것이다.
애벌런치 광 다이오드(avalanche photo diode, APD) 검출 장치는 레이저 거리 측정기(laser range finder)에서 미약한 에너지의 신호를 수신하여 출력하는 정밀 센서로 많이 이용된다.
애벌런치 광 다이오드 칩은 바이어스 전압이나 칩의 설계 요인(factor)에 따라 미약한 수신 신호를 크게 증폭할 수 있도록 설계된다. 이때, 애벌런치 다이오드는 그 특성 상 브레이크다운 전압(breakdown voltage)에 근접한 바이어스 전압이 가해질수록 높은 증폭률을 얻을 수 있는 장점이 있다.
이에, 대개의 경우 애벌런치 광 다이오드 칩은 브레이크다운 전압에 최대한 근접한 바이어스 전압이 가해지도록 설계되어 신호의 수신률을 높이고 있다. 그런데, 이러한 경우 온도 변화에 민감하거나 바이어스 전압의 작은 떨림에도 큰 노이즈를 발생한다는 단점이 있다. 특히, 브레이크다운 전압 부근에서는 온도 변화에 따른 증폭률의 변화가 심하고 FAR이 증가하여, 펄스형 레이저를 사용하는 레이저 거리 측정기의 시스템 안정성이 떨어진다.
본 발명의 목적은 레이저 거리 측정용 애벌런치 광 다이오드 검출 장치를 제공하는 데 있다.
상술한 본 발명의 목적에 따른 레이저 거리 측정용 애벌런치 광 다이오드 검출 장치는, 브레이크다운 전압(breakdown voltage)보다 낮은 바이어스 전압(bias voltage)에 의해 구동되어 신호를 검출하는 애벌런치 광 다이오드(avalanche photo diode)를 포함하는 신호 검출부와, 상기 애벌런치 광 다이오드에서 검출된 신호를 증폭하는 증폭 소자 및 상기 증폭 소자의 출력단과 입력단 간에 구비되는 피드백 저항(feedback resistance) RF를 포함하는 임피던스 변환 증폭부(trans-impedance amplifier, TIA)와, 상기 임피던스 변환 증폭부에서 증폭된 신호를 가변 이득에 따라 증폭하는 가변 이득 증폭부(variable gain amplifier, VGA)를 포함하도록 구성된다. 여기에서, 상기 임피던스 변환 증폭부 및 상기 가변 이득 증폭부는, 상기 애벌런치 광 다이오드에 인가되는 바이어스 전압이 낮게 설정될수록 증폭률을 증가시키도록 구성되어야 한다. 그리고 상기 임피던스 변환 증폭부는, 상기 피드백 저항 RF의 저항치를 증가시켜 증폭률을 증가시키도록 구성될 수 있다. 한편, 상기 임피던스 변환 증폭부는, 상기 애벌런치 광 다이오드의 대역폭 유지를 위해 입력 커패시턴스 CI를 감소시키도록 구성되어야 한다.
상기와 같은 레이저 거리 측정용 애벌런치 광 다이오드 검출 장치에 의하면, 애벌런치 광 다이오드의 바이어스 전압을 브레이크다운 전압보다 많이 낮은 영역으로 낮추고 애벌런치 광 다이오드 칩의 출력 신호를 높은 증폭률로 증폭함으로써, 높은 이득을 구현하는 효과가 있다. 이때, 임피더스 변환 증폭부의 증폭을 위해 피드백 저항 RF의 저항치를 증가시키는 대신 그 입력 커패시턴스 CI를 감소시키도록 구성됨으로써, 높은 이득의 구현과 더불어 애벌런치 광 다이오드의 대역폭이 줄어드는 것을 방지하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 거리 측정용 애벌런치 광 다이오드 검출 장치의 간략 구성도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 거리 측정용 애벌런치 광 다이오드(avalanche photo diode, APD) 검출 장치의 간략 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 거리 측정용 애벌런치 광 다이오드 검출 장치(100)(이하, '애벌런치 광 다이오드 검출 장치'라 함)는 신호 검출부(110), 임피던스 변환 증폭부(120)(trans-impedance amplifier, TIA) 및 가변 이득 증폭부(130)(variable gain amplifier, VGA)를 포함하도록 구성될 수 있다.
애벌런치 광 다이오드 검출 장치(100)는 애벌런치 광 다이오드(111)의 바이어스 전압을 브레이크다운 전압 이하의 완만한 증폭률을 갖는 영역으로 낮추어 증폭률을 완화시킨다. 반면, 임피던스 변환 증폭부(120)와 가변 이득 증폭부(130)에서 높은 증폭률로 신호를 증폭하여 미약한 수신 신호도 용이하게 검출한다. 한편, 이러한 높은 증폭률에 따른 이득에도 불구하고 임피던스 변환 증폭부(120)의 입력 커패시턴스 CI를 줄임으로써, 애벌런치 광 다이오드(111)의 대역폭을 유지하여 시스템 안정도를 높인다. 이하, 세부적인 구성에 대하여 설명한다.
신호 검출부(110)는 애벌런치 광 다이오드(111)를 이용하여 신호를 검출하기 위한 구성이다. 신호 검출부(111)는 애벌런치 광 다이오드(111)와 바이어스 전압을 인가하기 위한 회로 등을 포함하는 하나의 칩으로 주로 설계된다. 여기에서, 애벌런치 광 다이오드(111)는 그 특성 상 브레이크다운 전압(breakdown voltage) 이하의 바이어스 전압에서는 완만한 증폭률을 나타내지만, 브레이크다운 전압 인근의 높은 바이어스 전압이 걸리면 급격한 증폭률을 나타낸다. 이에, 대부분의 종래 애벌런치 광 다이오드 칩은 브레이크다운 전압 영역 근처나 그 이상의 영역에서 바이어스 전압을 인가하여 신호를 높은 증폭률로 증폭했으나, 본 발명에서는 완만한 증폭률을 나타내는 낮은 전압대에서 바이어스 전압이 인가되도록 구성된다. 본 발명에서는 증폭률은 낮지만 기존에 비해 온도 변화에 덜 민감하게 되므로 시스템 안정성을 유지하기에 유리하다는 장점이 있다. 또한, 바이어스 전압의 작은 떨림에도 영향을 받지 않으므로, 일정한 FAR을 유지하고 잡음에 의한 플럭츄에이션(fluctuation)도 크게 줄어든다.
다음으로, 임피던스 변환 증폭부(120)는 증폭 소자(121) 및 피드백 저항 RF를 포함하도록 구성된다. 임피던스 변환 증폭부(120)는 신호 검출부(110)에서 적게 증폭된 신호를 크게 증폭하기 위한 프리앰프(preamp)라고 볼 수 있다. 이때, 임피던스 변환 증폭부(120)는 애벌런치 광 다이오드(111)에 인가되는 바이어스 전압이 낮을수록 즉, 증폭률이 낮을수록 임피던스 변환 증폭부(120)의 증폭률을 높이도록 구성될 수 있다.
여기에서, 증폭 소자(121)는 애벌런치 광 다이오드(111)에서 검출된 신호를 증폭하는 구성이며, 제1 증폭 소자(121)의 출력단과 입력단 간에 구비되는 피드백 저항 RF의 저항치를 높게 설정하여 증폭률을 증가시킬 수 있다. 이때에도, 피드백 저항 RF의 증가로 인해 이득은 증가하지만, 그 오프셋(offset)으로서 대역폭은 줄어들 수 있다.
이에, 임피던스 변환 증폭부(120)는 입력 커패시턴스 CI가 낮아지도록 구성됨으로써, 애벌런치 광 다이오드(111)의 대역폭을 유지하도록 구성된다. 즉, 입력 커패시턴스 CI가 낮게 구성되면, 애벌런치 광 다이오드(111)에 걸리는 커패시턴스 CD가 상대적으로 높게 유지될 수 있기 때문이다. 임피던스 변환 증폭부(120)의 입력 커패시턴스 CI를 줄이기 위해서는 다양한 방안이 강구될 수 있다. 먼저, ASIC 회로를 직접 낮은 입력 커패시턴스 CI를 갖도록 구성할 수 있다. 그런데 이러한 방안은 상대적으로 제작 단가가 높아지는 단점이 있다. 다른 방안으로는 입력단의 구성을 최소화하여 자연 발생적 커패시턴스를 최대한 줄이고 소자의 연결 패드 개수도 최대한 줄이도록 구성하는 방안이 있을 수 있다.
가변 이득 증폭부(130)는 임피던스 변환 증폭부(120)에서 증폭된 신호를 가변 이득에 따라 증폭하도록 구성된다. 이는 임피던스 변환 증폭부(120)에서 증폭된 신호를 다시 증폭하는 포스트앰프(postamp)라고 볼 수 있다. 이때에도 가변 이득 증폭부(130)는 애벌런치 광 다이오드(111)에 인가되는 바이어스 전압이 낮을수록 즉, 증폭률이 낮을수록 가변 이득 증폭부(130)의 증폭률을 높이도록 구성될 수 있다.
이상 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (4)

  1. 브레이크다운 전압(breakdown voltage)보다 낮은 바이어스 전압(bias voltage)에 의해 구동되어 신호를 검출하는 애벌런치 광 다이오드(avalanche photo diode)를 포함하는 신호 검출부;
    상기 애벌런치 광 다이오드에서 검출된 신호를 증폭하는 증폭 소자 및 상기 증폭 소자의 출력단과 입력단 간에 구비되는 피드백 저항(feedback resistance) RF를 포함하는 임피던스 변환 증폭부(trans-impedance amplifier, TIA) 및
    상기 임피던스 변환 증폭부에서 증폭된 신호를 가변 이득에 따라 증폭하는 가변 이득 증폭부(variable gain amplifier, VGA)를 포함하는 레이저 거리 측정용 애벌런치 광 다이오드 검출 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 임피던스 변환 증폭부 및 상기 가변 이득 증폭부는,
    상기 애벌런치 광 다이오드에 인가되는 바이어스 전압이 낮게 설정될수록 증폭률을 증가시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 레이저 거리 측정용 애벌런치 광 다이오드 검출 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 임피던스 변환 증폭부는,
    상기 피드백 저항 RF의 저항치를 증가시켜 증폭률을 증가시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 레이저 거리 측정용 애벌런치 광 다이오드 검출 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 임피던스 변환 증폭부는,
    상기 애벌런치 광 다이오드의 대역폭 유지를 위해 입력 커패시턴스 CI를 감소시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 레이저 거리 측정용 애벌런치 광 다이오드 검출 장치.
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