基于ToF原理的激光雷达成像芯片设计

发布时间：2020-05-21 00:43

【摘要】：本文首先介绍了ToF(Time of Flight)激光雷达(LiDAR,Light Detection and Ranging)成像芯片的基本原理和基本组成模块,其通过发射激光脉冲照射目标物体并用激光雷达接收芯片接收探测反射回来的激光脉冲信号,通过获得的激光脉冲回波信号的接收时间信息得到光信号的飞行时间,以此测量目标物体的距离,然后通过对比不同像素单元接收激光脉冲返回时间的差异来形成目标的数字3D表达,最后通过数据处理形成3D图像。在激光雷达接收芯片中,光脉冲信号由光电二极管吸收并转化为光电流脉冲信号;而后,跨阻放大器(TIA,Trans-Impedance Amplifier)将光电流转换成时间脉冲电压信号;由TIA输出的脉冲电压信号经由恒比定时(CFD,Constant Fraction Discriminator)模块处理后,作为后级比较器的输入,并输出方波脉冲信号;方波脉冲信号作为时间幅度转换器(TAC,Time-to-Amplitude Converter)的时间标准,并将时间信号转换为模拟电压量,经过模数转换器(ADC,Analog-to-Digital Converter)量化为数字信号。其中,CFD和TAC模块对激光脉冲信号飞行时间的量化起到了决定性的作用,其定时精度和时间-幅度转化精度决定了整个激光雷达接收芯片的测量精度。因此,本文基于CFD的基本原理设计了几种用于激光雷达接收芯片的定时电路结构,并对像素级TAC芯片进行了实际芯片测试。在简要介绍了ToF激光雷达成像芯片的原理之后,本文又详细分析了CFD模块的基本原理,并基于传统电路结构的缺点,提出了一种新的窄脉冲延时电路,同时对传统电阻分压结构的衰减电路进行改进,实现了一种高定时精度的CFD电路模块。其中,本文提出的窄脉冲延时电路很好的解决了传统RC延时结构导致的脉冲波形畸变的问题,有效的减小了由波形畸变的非线性导致的定时误差。同时,基于传统CFD电路结构,提出了两种新的脉冲定时方法。本文基于0.18μm CMOS工艺,采用IC616软件对三种定时方案进行了仿真设计和验证,三种定时方案均实现了减小定时误差的功能,最小定时误差仅为73.6ps。选用定时误差最小的传统CFD定时方案,对其进行了版图的设计实现,最终单个模块芯片面积为122μm×74μm,整体芯片面积为290μm×186μm。其中整体芯片面积不仅包括TAC模块,还包括前级TIA模块和提供偏置的伪TIA模块,以及为整个芯片提供稳定偏置的基准模块和稳定推送电压的缓冲模块。
【图文】：

商业激光雷达产品

窄脉冲延时电路幅频特性和相频特性仿真结果
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN958.98

【参考文献】

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本文编号：2673463