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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7 r4 ~. V( u/ Z0 T, b# \- o9 y系统架构
4 T$ E) C2 _5 M8 E, A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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( L/ R6 e5 s- k  h" W% \系统由以下几个关键组件组成：
具有均匀扩散脉冲激光和近红外（NIR）镜头的光学模块
" x" a3 B& R- l- E( R: r( hSPAD检测器阵列
具有24dB增益的前端时间放大器（TA）
2 e4 ]- |. N7 V8 }. u8 ^7 j) b列并行相位旋转（PR）TDC
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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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图1：提出的LiDAR传感器概念

) |" e+ q+ s$ ?0 V& B3 o% z2 u: w% i操作模式
" v3 Z' \  N7 c1 u, N1. 线性度提升模式：
7 y: h8 B! E# U6 o" y/ W4 p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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7 s' K, _" {% \# I, ?图2：线性度提升模式

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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图3：数据压缩模式

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图4：数据压缩模式抖动

5 q# J0 X  B( y7 N7 m5 x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。
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9 [( h. ~. {8 X* @% \图5：像素并行AQRC

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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图6：时间放大器

3. 相位旋转TDC：
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。
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+ L5 f8 |9 W: v) Q0 o" c9 _图7：相位旋转TDC

6 W, E% G" O# B# i; Y( w, ?4. 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：
+ K+ o+ F& O/ u# J/ Y. t发射并反射激光脉冲，触发SPAD雪崩。
. f9 {* H3 V, W8 s; [5 c4 q2 v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。
放大的信号被送入TDC进行转换。
/ B8 R( ?/ _* B- l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）。
# ^& A; M9 d. B; O; Y# y12位TDC结果存储在行缓冲器中，并通过LVDS驱动器输出。
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5 c/ G0 h) t- d! b图8：时序图
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性能和结果
: H# E! L. t9 e5 G$ KLiDAR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]。
. b+ _* ]; k7 U# f9 ZTDC分辨率：3.81ps（16×TA增益）
距离精度：在100cm测量范围内达到0.5cm
  K; u$ g# w1 J  a7 |8 o帧率：24帧/秒ToF图像率
动态范围：96dB（72dB + 24dB，16×TA增益）
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3 C( i& X8 t" e. _, i4 x图9：TDC表征、时间放大线性度、实际距离
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9 Z( S9 }# c5 [2 s7 k/ F6 t1 H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

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
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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。
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图12：芯片显微照片和总结
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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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: V& A- k; ^. V# `8 u' @图13：3D深度模型
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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.
+ R$ Y; v! c, H( d2 d7 O0 v
[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.

' f0 B8 e% L+ d' G8 u[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.

[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.
! ]  l3 ^$ D6 }5 P( R4 E$ _
[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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