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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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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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
SPAD检测器阵列
( W# w+ ^8 z4 d7 @具有24dB增益的前端时间放大器（TA）
2 K! C6 s$ e) T, T$ t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
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操作模式
1. 线性度提升模式：
: G6 |% Y) t: m+ u! _+ o4 l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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3 ]' X2 b9 B& w( Y) w图2：线性度提升模式

+ Z: L7 l0 h. S7 j# a0 S4 x. P2. 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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1 X0 Z0 w& G+ g3 r0 z( p图4：数据压缩模式抖动

0 @' V$ S. [- U; D关键线路组件
3 b: ~$ E9 V# F6 y1. 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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图5：像素并行AQRC
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2. 时间放大器（TA）：
8 K( a, S4 f* p# b5 ~- b5 J. oTA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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- F. X3 n% g( Z6 R6 Z' M图6：时间放大器
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; Y6 `1 `" H  |( X0 s3. 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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8 ]6 ?3 J% Y0 d7 c: ~5 y图7：相位旋转TDC

4. 操作时序：
; n9 J# D6 y) Y( g' NLiDAR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。
保持时间控制将SPAD限制在TDC窗口内的一个脉冲。
1 R2 D4 M; M' k2 T3 U参考激光启动和SPAD列输出被送入TA。
3 c: T( u" Y0 D& u( j; |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）。
+ N: N7 V) V. X% ~9 z12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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$ p3 P$ m2 A5 M+ S图8：时序图
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性能和结果
LiDAR传感器实现了令人印象深刻的性能指标：
  v, V7 r4 F" m: g0 e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）
2 K* H; A; g: D8 _9 E- i5 }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）
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图9：TDC表征、时间放大线性度、实际距离

( S  d  x2 O! f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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/ k9 n' I* G! s) H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。
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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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2 d/ K, l0 Q3 i  L4 d. h$ {, ~# |图12：芯片显微照片和总结

- p. N# ^% a) J; K% n$ @8 ^% i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。
- ~9 e- w5 l- Y; d# H8 ^8 ]

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3 ~2 L8 M) A9 E, C$ l9 N图13：3D深度模型
$ L" O  i# D+ }: H! U+ j0 e
' u9 {" B( n" P+ m0 P  l: C" V; ?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.

  G8 }' Q8 |3 ~, O2 v! t: H$ k: i: q[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.

) f: N& s6 t' h' l3 i[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.
4 E$ ]2 }% ~) R3 R- D
5 Z% T' t. r# \4 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.

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