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。
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
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
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。
图(3)光谱响应曲线(M=1)
图(4)量子效率(23°C,Vbias=10V)
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。
图(6)PTIA-A1功能框图
通过VNA测得其带宽特性如下图(7)所示。
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。
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。
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:
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电话:+86 173-9795-2508