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湃睿半导体推出光强-时间激光测距套片


激光测距技术一般分为直接飞行时间(dToF)和间接飞行时间(iToF)两大类,其中直接飞行时间主要包括光强-时间法(又称脉冲法,pulsed dToF)和光子数-时间法(SPAD)。

光强-时间法方案通过检测发射波(方波)到接收波(设定阈值比较,上升、下降沿寻峰)的时间差来计算激光通过的距离,其基本原理如下图(1)所示。

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图(1)光强-时间法激光测距原理

光强-时间法方案的接收链路主要包括以下关键器件,如下图(2)所示。

• 雪崩二极管(APD):接收回波脉冲并转换为光电流信号

 跨阻放大器(TIA):将光电流信号转换为电压并进行放大

 高速比较器(COMP):基于设定的电压阈值,检测接收波

 飞行时间测量芯片(TOF):按照一定的精度,检测发射波到接收波的时间差

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图(2)光强-时间法激光雷达关键器件

基于合理的器件选择和方案设计,光强-时间法的激光测距仪、激光雷达等设备至少具备以下性能优势:

 长距离:最高可达数公里

 高精度:短距离情况下最高可达±10mm

 高速率:最高可达MHz

 快速恢复:户外场景下,小于10ns的过载恢复

据麦姆斯咨询报道,传感器半导体方案供应商湃睿半导体(Prime-Semi)拟于2023年4季度推出光强-时间法激光测距套片(Chipset),包括三颗关键器件,如下表(1)所示。

表(1)湃睿半导体激光测距套片
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此外,湃睿半导体正在规划更高集成度的方案,具体如下:

 雪崩二极管 + 跨阻放大器

 雪崩二极管 + 跨阻放大器 + 后级运放 + 高速比较器 + 飞行时间测量芯片

雪崩二极管PTOF-APD1

PTOF-APD1是一颗接收光波长为905nm的线性雪崩二极管,具有低噪声、低暗电流和增益等特性,细节如下:

 光敏面直径:500μm

 响应率:> 50A/W @ 0.85Vbr, 905 nm

 击穿电压:120V、160V、180V三档,±10V

 典型增益:100倍 @ 0.85Vbr

 温度系数:1.1V/K

 暗电流:0.1nA @ 0.85Vbr

PTOF-APD1的光谱响应曲线、量子效率、增益vs反向偏置电压曲线分别如下图(3)-(5)所示。

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图(3)光谱响应曲线(M=1)

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图(4)量子效率(23°C,Vbias=10V)

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图(5)增益vs反向偏置电压(23°C @ 905nm)

跨阻放大器PTIA-A1

PTIA-A1是一颗高性能差分跨阻放大器,具有低噪声、高带宽、固定反馈电阻等特性,细节如下:

 完全差分输出

 宽动态范围

 闭环跨阻带宽:290MHz(20kΩ跨阻增益)

 输入引入电流噪声:77nARMS(20kΩ跨阻增益)

• 超短过载恢复时间:< 10ns(IIN两倍过载)

 内部输入保护

 供电
    - 电压:2.7V ~ 3.6V
    - 电流:23mA

 温度范围:-40°C ~ 85°C

PTIA-A1功能框图如下图(6)所示。

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图(6)PTIA-A1功能框图

通过VNA测得其带宽特性如下图(7)所示。

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图(7)PTIA-A1带宽特性

飞行时间测量芯片PTOF-T1

PTOF-T1是一颗亚门级、超高精度、高度线性化的飞行时间测量芯片,基于自主研发的差分延迟链原理完全正向设计,其主要特性参数如下:

 RMS时间分辨率
    - 20ps典型值(PTOF-T1)
    - 10ps典型值(PTOF-T2)

 非线性
    - 20ps典型值(INL)
    - 5ps典型值(DNL)

 时间窗口长度:~ 86ms

 Stop-to-stop测量范围:1μs

 通道间隔离(同一时刻测得):最大100ps

 偏移误差:100ps典型值

 偏移误差温度漂移:最大3ps/K

 转换速率峰值:最大50MSPS

 SPI时钟频率:最大40MHz

 供电电压:3.3V±10%

 温度范围:温度范围:-40°C ~ 85°C

PTOF-T1还具有以下模式:

 核心延时单元的可变容性负载,用以调节分辨率

 核心延时单元关停模式,用以降低电流消耗

PTOF-T1功能框图如图(8)所示。

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图(8)PTOF-T1功能框图

Chipset支持

湃睿半导体为合作伙伴提供上述三颗关键器件的数据手册、应用文档、样品、评估套件以及可能的系统级支持,您可选用单一器件,也可为了更优化的供应链和更可控的系统成本而选用该套片方案。

选用上述套片还可为您带来潜在的优势——湃睿半导体正在规划集成化方案(SiP),将雪崩二极管(PTOF-APD1)、跨阻放大器(PTIA-A1)、可能的后级运放(待定)、双路高速比较器以及飞行时间测量芯片(PTOF-T1)进行堆叠/平铺的单片系统,如下图(9)所示。

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图(9)从套片方案到单片化的激光测距芯片

关于湃睿半导体

湃睿半导体(Prime-Semi)由具有20-30年传感器半导体行业经验的中国和欧洲技术团队联合创立,立足于整合从前端敏感元件到后端混合信号的完整信号链,以敏感原理、硬件电路、内部固件三个层面的融合为核心特色,专注于传感器片上系统的设计、开发、制造和销售,使命是让人、设备以及环境之间的感知更加深刻(Sensing Deeper)。

湃睿半导体已经推出的产品包括:
 接触式应变传感器片上系统:PMDS-F2/F3
 高精度电容传感器测量芯片:PMDS-F4
 颗粒物传感器测量芯片:PMRO-D1

如需支持,烦请联络郝先生:
邮箱:cs@prime-semi.com
电话:+86 173-9795-2508