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。

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% A% F9 a6 Z: F+ U( ?8 z2 }1 Q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。
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9 \2 Y( ], h  {5 Q/ [8 D系统由以下几个关键组件组成：
& h1 X) S8 N% `# X9 U# _4 f具有均匀扩散脉冲激光和近红外（NIR）镜头的光学模块
  Q5 f* H) y1 y7 s- hSPAD检测器阵列
: C, t, k6 |4 h: u1 j具有24dB增益的前端时间放大器（TA）
列并行相位旋转（PR）TDC
+ q  s1 }6 o! f) R) y/ j% C) Y" O[/ol]
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。
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5 O# `7 P$ ]. d图1：提出的LiDAR传感器概念
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操作模式
, Q6 ~4 `& M/ z2 Q. E1. 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。

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# C4 x6 X+ ^0 o2 z3 N, V9 I# ~+ K: i图2：线性度提升模式
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2. 数据压缩模式
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。

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2 O9 m1 c/ J* T: u* R5 [图3：数据压缩模式
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图4：数据压缩模式抖动

关键线路组件
) L3 K& F1 v$ N" }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。

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2 y) |2 b" l$ ]  X图5：像素并行AQRC
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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。
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) f6 R5 h$ x/ i5 `图6：时间放大器
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+ P: O# z7 Q. D6 X  K3. 相位旋转TDC：
0 ?: ?+ v0 N6 C  B5 U' L$ KPR 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。
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图7：相位旋转TDC

8 G2 \8 q% w3 ]5 e4. 操作时序：
* e! Y2 M9 u5 N' VLiDAR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：
发射并反射激光脉冲，触发SPAD雪崩。
" c4 A' P% G8 H5 l) Z4 u1 j保持时间控制将SPAD限制在TDC窗口内的一个脉冲。
参考激光启动和SPAD列输出被送入TA。
& D3 b+ E# |8 n, u0 E- O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）。
12位TDC结果存储在行缓冲器中，并通过LVDS驱动器输出。
[/ol]

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图8：时序图
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性能和结果
4 W; P8 B/ H* i( q0 g6 b! B* ILiDAR传感器实现了令人印象深刻的性能指标：
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
帧率：24帧/秒ToF图像率
动态范围：96dB（72dB + 24dB，16×TA增益）
[/ol]

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% `8 M9 h  ]) |8 J! o图9：TDC表征、时间放大线性度、实际距离
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9 [, R$ ~1 M5 U; ?" E( o, S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。
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图10：TCSPC深度图像有/无数据压缩的演示
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1 z6 W0 i5 G( X+ _7 k( P1 X! c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。

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图11：比较表

( k6 I" W5 `( q! O' Q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。
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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。
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图12：芯片显微照片和总结

! o9 _( i3 N& l# [5 m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。

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8 u2 y$ M: T* x) F* d5 T图13：3D深度模型

: {. ^5 y& Q  |: n( L& b" b8 P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.

# v# R- M% P* q( }% i[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.

5 R: z8 b( f4 T; m% s) Z7 Z8 Q[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.
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2 C; C9 z: Q& p4 C: w6 t+ `[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.
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