基于ToF原理的激光雷達(dá)成像芯片設(shè)計(jì)

發(fā)布時(shí)間：2020-05-21 00:43

【摘要】：本文首先介紹了ToF(Time of Flight)激光雷達(dá)(LiDAR,Light Detection and Ranging)成像芯片的基本原理和基本組成模塊,其通過(guò)發(fā)射激光脈沖照射目標(biāo)物體并用激光雷達(dá)接收芯片接收探測(cè)反射回來(lái)的激光脈沖信號(hào),通過(guò)獲得的激光脈沖回波信號(hào)的接收時(shí)間信息得到光信號(hào)的飛行時(shí)間,以此測(cè)量目標(biāo)物體的距離,然后通過(guò)對(duì)比不同像素單元接收激光脈沖返回時(shí)間的差異來(lái)形成目標(biāo)的數(shù)字3D表達(dá),最后通過(guò)數(shù)據(jù)處理形成3D圖像。在激光雷達(dá)接收芯片中,光脈沖信號(hào)由光電二極管吸收并轉(zhuǎn)化為光電流脈沖信號(hào);而后,跨阻放大器(TIA,Trans-Impedance Amplifier)將光電流轉(zhuǎn)換成時(shí)間脈沖電壓信號(hào);由TIA輸出的脈沖電壓信號(hào)經(jīng)由恒比定時(shí)(CFD,Constant Fraction Discriminator)模塊處理后,作為后級(jí)比較器的輸入,并輸出方波脈沖信號(hào);方波脈沖信號(hào)作為時(shí)間幅度轉(zhuǎn)換器(TAC,Time-to-Amplitude Converter)的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn),并將時(shí)間信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬電壓量,經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC,Analog-to-Digital Converter)量化為數(shù)字信號(hào)。其中,CFD和TAC模塊對(duì)激光脈沖信號(hào)飛行時(shí)間的量化起到了決定性的作用,其定時(shí)精度和時(shí)間-幅度轉(zhuǎn)化精度決定了整個(gè)激光雷達(dá)接收芯片的測(cè)量精度。因此,本文基于CFD的基本原理設(shè)計(jì)了幾種用于激光雷達(dá)接收芯片的定時(shí)電路結(jié)構(gòu),并對(duì)像素級(jí)TAC芯片進(jìn)行了實(shí)際芯片測(cè)試。在簡(jiǎn)要介紹了ToF激光雷達(dá)成像芯片的原理之后,本文又詳細(xì)分析了CFD模塊的基本原理,并基于傳統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn),提出了一種新的窄脈沖延時(shí)電路,同時(shí)對(duì)傳統(tǒng)電阻分壓結(jié)構(gòu)的衰減電路進(jìn)行改進(jìn),實(shí)現(xiàn)了一種高定時(shí)精度的CFD電路模塊。其中,本文提出的窄脈沖延時(shí)電路很好的解決了傳統(tǒng)RC延時(shí)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的脈沖波形畸變的問(wèn)題,有效的減小了由波形畸變的非線性導(dǎo)致的定時(shí)誤差。同時(shí),基于傳統(tǒng)CFD電路結(jié)構(gòu),提出了兩種新的脈沖定時(shí)方法。本文基于0.18μm CMOS工藝,采用IC616軟件對(duì)三種定時(shí)方案進(jìn)行了仿真設(shè)計(jì)和驗(yàn)證,三種定時(shí)方案均實(shí)現(xiàn)了減小定時(shí)誤差的功能,最小定時(shí)誤差僅為73.6ps。選用定時(shí)誤差最小的傳統(tǒng)CFD定時(shí)方案,對(duì)其進(jìn)行了版圖的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn),最終單個(gè)模塊芯片面積為122μm×74μm,整體芯片面積為290μm×186μm。其中整體芯片面積不僅包括TAC模塊,還包括前級(jí)TIA模塊和提供偏置的偽TIA模塊,以及為整個(gè)芯片提供穩(wěn)定偏置的基準(zhǔn)模塊和穩(wěn)定推送電壓的緩沖模塊。
【圖文】：