基于CMOS可编程延迟线时-电压转换器的激光雷达接收器飞行时间性能测量方法

《Micromachines》：A Programmable Delay Line-Based Measurement Methodology for CMOS LiDAR Receivers

　　

摘要

本文提出了一种新颖的测量方法，通过使用基于CMOS可编程延迟线的时-电压转换器（PDL-TVC）来精确评估激光雷达接收器（LRx）的飞行时间性能。传统激光雷达系统配备外部激光二极管和通过键合线连接的光电二极管；然而，这不仅会导致严重的信号失真，还会引起不可预测的信号延迟。相比之下，所提出的PDL-TVC采用上升沿检测器（RED）后接积分器和峰值检测与保持（PDH）电路，将时间间隔转换为输出电压脉冲以实现精确的距离估计，从而省去了昂贵的激光雷达发射器和相应的键合线。此外，设计了一款CMOS光电激光雷达接收器（COLR）以验证针对LRx的所提出的测试方法，该芯片包含片上雪崩光电二极管以避免键合线，以及主动反馈跨阻放大器后接施密特触发器以生成STOP信号，从而根据START脉冲确定时间间隔。此外，增加了一个4到10译码器，提供外部可选的1-10纳秒延迟区间，实现对PDL-TVC操作的受控测试。所提出的COLR芯片采用180纳米CMOS工艺制造，核心面积为312 × 659 μm²。PDL-TVC功耗为12毫瓦，其中在1.8伏供电下可编程延迟线消耗374微瓦。COLR的测量结果证实了可靠的片上信号生成和精确的表征能力，从而表明利用PDL-TVC所提出的测量方法为评估激光雷达接收器提供了精确的解决方案。