台积电论文 | 具有24dB时间放大和相位旋转TDC的320×232 LiDAR传感器

逍遥设计自动化

引言光检测和测距（LiDAR）技术在自动驾驶、工业建模和AR/VR系统等多个应用领域中变得越来越重要。本文介绍台积电在2023 International Image Sensors Workshop发表的文章，讨论320×232 LiDAR传感器设计，该设计采用24dB时间放大和相位旋转时间数字转换器（TDC），以实现高分辨率深度成像。本文探讨传感器的架构、关键组件和操作模式，突出其在精度和数据压缩方面的优势。
2 H3 e8 g: ^3 j$ E0 M* k
+ b$ ?+ X1 Q% o: k1 A

xxncli3gatx64038193455.png

系统架构
该LiDAR传感器采用3D堆叠背照式（BSI）单光子雪崩二极管（SPAD）技术。这种方法允许实现紧凑的6.84μm像素间距，同时保持高性能。

系统由以下几个关键组件组成：
: [+ z% w0 K1 J7 D1 ^具有均匀扩散脉冲激光和近红外（NIR）镜头的光学模块
: [- o2 g* V* ~3 }& m: {SPAD检测器阵列
具有24dB增益的前端时间放大器（TA）
" u- N! s8 b) C2 x  J列并行相位旋转（PR）TDC
[/ol]
+ T! s, S: h3 s( J图1说明了所提出的LiDAR传感器的概念架构。PR TDC从全局延迟锁定环（DLL）接收多个时钟相位，并在每次TDC转换时旋转相位顺序。这种独特的方法实现了两种优化模式：线性度提升和数据压缩。
1 u; ~, B& v- I5 B( m- d( B3 M

sgnvsonfqgr64038193555.png

图1：提出的LiDAR传感器概念
. t9 B! q7 I! P+ w5 Z
操作模式
  G' Z; F2 n: Q1. 线性度提升模式：
在此模式下，TDC线路中的所有锁存单元都被启用。锁存器对来自DLL的单调相位进行采样，并将锁存的温度计码重构为二进制数字。来自M级DLL延迟单元的固有时钟偏斜导致TDC中的差分非线性（DNL）。然而，通过在后续TDC转换中旋转DLL相位顺序，DNL形成一个固定的模式循环，可以在多次采样后自校准。

/ S8 i# u! ?- t8 L( J8 a

lbj4iiudxom64038193656.png

5 f0 c4 R" \2 z' a: }% @图2：线性度提升模式
; q8 p9 M% v+ S1 V  y
, ^7 L: b) S& s2 b7 \2. 数据压缩模式
, W% ?+ s8 j: ]' R此模式仅启用TDC线路中的一个锁存单元。TDC仅锁存一个相位作为最低有效位（LSB）部分，并截断低log?M位。DLL相位顺序在每次TDC转换中旋转一步，导致TDC间隔移动一个相位偏移。经过多次采样和直方图处理后，简单的平均过程重构直方图峰值，有效减少数据吞吐量而不牺牲图像质量。
4 E0 O# [4 h- W+ q; E$ L8 k1 G
7 \! k* s. o  R3 O

p2ncgsv4r3b64038193756.png

: T# c( l0 y7 F$ a' R; Y图3：数据压缩模式

bie0ow2muwi64038193856.png

图4：数据压缩模式抖动

% W& `" ]4 p6 f8 w$ `: k关键线路组件
1. 主动猝灭和再充电（AQRC）：
像素并行AQRC线路控制SPAD的有效猝灭电阻和保持时间。这种设计允许高效的SPAD操作和精确的定时控制。

% ]! R# z5 k: v' }8 m

finmfd0yau564038193956.png

图5：像素并行AQRC
1 C" Q- r0 j6 I. L* X% G$ @
2. 时间放大器（TA）：
TA扩展了后续TDC的动态范围，放大参考激光启动和SPAD列输出之间的时间间隔。该设计支持多种增益比（4×、8×、16×）以适应各种测量场景。
0 C5 |- p. a; O  P' Q
6 j- }0 [9 Y3 M' Q! g

uu0hoayf5ax64038194056.png

) u" ]% [7 \' o  A图6：时间放大器

3. 相位旋转TDC：
  K# c9 B" Z6 M1 \PR TDC线路采用全局DLL块，从1GHz差分时钟提供16个等效延迟相位。这些相位被多路复用到每列TDC线路，其中包括16个锁存单元用于LSB和8位纹波计数器用于MSB。多路复用的相位顺序根据帧索引信号旋转，实现线性度提升或数据压缩功能。
$ w+ \. x% ~  L  J5 G- k. U

0pzitmwvmuz64038194156.png

图7：相位旋转TDC
) ^8 o, M" k8 ]6 ^& @
% ^7 U6 C( }+ d  F; W" D4. 操作时序：
LiDAR传感器通过将232行顺序扫描到一帧中来操作。对于每个行周期：
+ Y6 ]. u' O) y1 I- K发射并反射激光脉冲，触发SPAD雪崩。
: g9 |/ T/ p  F6 X: d保持时间控制将SPAD限制在TDC窗口内的一个脉冲。
% Y6 A8 Q" k% L, H0 U参考激光启动和SPAD列输出被送入TA。
* q" _$ ?3 X  W0 U9 ]放大的信号被送入TDC进行转换。
两个输入信号由双TDC线路分别转换，用于数字相关双采样（DCDS）。
! [6 n1 e8 K+ j! h/ L6 {- g12位TDC结果存储在行缓冲器中，并通过LVDS驱动器输出。
[/ol]

% s1 `! |/ p; K* I$ t5 n& g

eqalyrvh1l064038194256.png

9 p+ F  S7 _1 Z1 y6 A* D+ G图8：时序图
% f0 F$ H' `# v: }
性能和结果
& l- x% k; w5 l6 G* v4 MLiDAR传感器实现了令人印象深刻的性能指标：
' B1 \% D9 b" L0 I线性度：经PR自校准后，DNL从[-0.9， 0.9]改善到[-0.3， 0.4]。
TDC分辨率：3.81ps（16×TA增益）
距离精度：在100cm测量范围内达到0.5cm
' D* w  b4 O" z4 ]* }帧率：24帧/秒ToF图像率
动态范围：96dB（72dB + 24dB，16×TA增益）
9 z) B. w+ X- l& o[/ol]

0 |7 D) f/ f4 e+ G/ Y" x

v121tnihi5s64038194356.png

图9：TDC表征、时间放大线性度、实际距离

6 N( h, J: O3 L9 D3 [数据压缩模式展示了16×（4位）数据压缩，而不牺牲图像质量，如深度图像比较所示。

- z4 J* t/ V# A9 X% i* y  @

fk5f5lneveq64038194457.png

图10：TCSPC深度图像有/无数据压缩的演示

) v' }% t5 ^% G5 N9 V. W与最先进的设计相比，这款LiDAR传感器提供了高分辨率、高精度和数据压缩能力的独特组合。

# u6 W; X4 T- _0 k) Q7 W

2iagqzwgdkn64038194557.png

! T4 p2 G" Y; o- C图11：比较表

结论本文探讨台积电发表的320×232、6.84μm SPAD 3D堆叠BSI LiDAR传感器，该传感器集成了AQRC线路、24dB时间放大器和用于时间相关单光子计数（TCSPC）操作的高分辨率TDC[5]。创新的相位旋转TDC设计实现了线性度提升和数据压缩模式，为各种应用提供了灵活性。

该传感器实现了显着的0.5cm距离精度，ToF图像率为24帧/秒，使其适用于高精度深度成像任务。4位数据压缩能力允许高效的数据处理而不影响图像质量，解决了TDC动态范围和后续数据处理工作之间的权衡问题。

hkb5ke1rssz64038194657.png

图12：芯片显微照片和总结

随着LiDAR技术的不断进步，像这样的设计推动了分辨率、精度和效率方面的可能性边界。该传感器展示的亚厘米级深度分辨率为需要高度详细的3D映射和物体检测的应用开辟了新的可能性。
7 r* s- a  V% q  F, c
& K, a( {! F& m; K6 f" F* j8 ~& N

hqefgxji55s64038194757.png

图13：3D深度模型
2 J' D, B  A) L' C- P% D" D
2 ]  T, e1 k1 N! l  R4 S参考文献[1] P. Padmanabhan, et al., “A 256×128 3D-Stacked (45nm) SPAD FLASH LiDAR with 7-Level Coincidence Detection and Progressive Gating for 100m Range and 10klux Background Light”, ISSCC Dig. Tech. Papers, pp. 112-113, Feb. 2021.

[2] Kumagai, et al., “A 189×600 Back-Illuminated Stacked SPAD Direct Time-of-Flight Depth Sensor for Automotive LiDAR Systems”, ISSCC Dig. Tech. Papers, pp. 110-111, Feb. 2021.

[3] S. Park, et al., “An 80×60 Flash LiDAR Sensor with In-Pixel Histogramming TDC Based on Quaternary Search and Time-Gated ΔIntensity Phase Detection for 45m Detectable Range and Background Light Cancellation”, ISSCC Dig. Tech. Papers, pp. 98-99, Feb. 2022.

- p, T8 X4 \6 q  S[4] E. Manuzzato, et al., “A 64×64-Pixel Flash LiDAR SPAD Imager with Distributed Pixel-to-Pixel Correlation for Background Rejection, Tunable Automatic Pixel Sensitivity and First-Last Event Detection Strategies for Space Applications”, ISSCC Dig. Tech. Papers, pp. 96- 97, Feb. 2022.

0 x7 w/ {1 {( P  i) O+ l# p[5] C. Yin et al., "A 320×232 LiDAR Sensor with 24dB Time-Amplified and Phase-Revolved TDC," in 2023 International Image Sensors Workshop, Crieff, Scotland, May 21-25, 2023.
  W6 Z) o8 C0 R, l9 P
- END -
; _3 d; l! P/ ]5 Q6 b, k; |
软件申请我们欢迎化合物/硅基光电子芯片的研究人员和工程师申请体验免费版PIC Studio软件。无论是研究还是商业应用，PIC Studio都可提升您的工作效能。
点击左下角"阅读原文"马上申请

欢迎转载

) S' @7 e3 B: v: Q, M转载请注明出处，请勿修改内容和删除作者信息！

6 k/ _/ R/ E9 k! h& g/ C$ f
( H' R0 f7 B6 m! ?4 _* ], z2 n) v' h
& M" g1 T: S& T8 l

flckq32bhwg64038194857.gif

3 K! W/ \, r; l5 X8 D/ M
2 c1 L* q, f2 O# i+ C5 u关注我们
. I$ ?0 Y+ m" h+ g

14pmwz25nj564038194957.png

0 x7 F; [/ h$ H/ x5 ^2 D2 X! b oqmmsyjsvlz64038195057.png

" k0 e$ q" [2 d& C0 J( t 44qopqslt2m64038195157.png + S2 m  m5 b" ~* u& K

                     


' A: G4 R8 H* N6 D2 B" G1 y' Z9 c
关于我们：
深圳逍遥科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家专注于半导体芯片设计自动化（EDA）的高科技软件公司。我们自主开发特色工艺芯片设计和仿真软件，提供成熟的设计解决方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分别针对光电芯片、微机电系统、超透镜的设计与仿真。我们提供特色工艺的半导体芯片集成电路版图、IP和PDK工程服务，广泛服务于光通讯、光计算、光量子通信和微纳光子器件领域的头部客户。逍遥科技与国内外晶圆代工厂及硅光/MEMS中试线合作，推动特色工艺半导体产业链发展，致力于为客户提供前沿技术与服务。

http://www.latitudeda.com/
+ w# g! k1 r3 U7 b（点击上方名片关注我们，发现更多精彩内容）