激光測(cè)距技術(shù)一般分為直接飛行時(shí)間（dToF）和間接飛行時(shí)間（iToF）兩大類(lèi)，其中直接飛行時(shí)間主要包括光強(qiáng)-時(shí)間法（又稱(chēng)脈沖法，pulsed dToF）和光子數(shù)-時(shí)間法（SPAD）。

光強(qiáng)-時(shí)間法方案通過(guò)檢測(cè)發(fā)射波（方波）到接收波（設(shè)定閾值比較，上升、下降沿尋峰）的時(shí)間差來(lái)計(jì)算激光通過(guò)的距離，其基本原理如下圖（1）所示。

圖（1）光強(qiáng)-時(shí)間法激光測(cè)距原理

光強(qiáng)-時(shí)間法方案的接收鏈路主要包括以下關(guān)鍵器件，如下圖（2）所示。

? 雪崩二極管（APD）：接收回波脈沖并轉(zhuǎn)換為光電流信號(hào)

? 跨阻放大器（TIA）：將光電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓并進(jìn)行放大

? 高速比較器（COMP）：基于設(shè)定的電壓閾值，檢測(cè)接收波

? 飛行時(shí)間測(cè)量芯片（TOF）：按照一定的精度，檢測(cè)發(fā)射波到接收波的時(shí)間差

圖（2）光強(qiáng)-時(shí)間法激光雷達(dá)關(guān)鍵器件

基于合理的器件選擇和方案設(shè)計(jì)，光強(qiáng)-時(shí)間法的激光測(cè)距儀、激光雷達(dá)等設(shè)備至少具備以下性能優(yōu)勢(shì)：

? 長(zhǎng)距離：最高可達(dá)數(shù)公里

? 高精度：短距離情況下最高可達(dá)±10mm

? 高速率：最高可達(dá)MHz

? 快速恢復(fù)：戶(hù)外場(chǎng)景下，小于10ns的過(guò)載恢復(fù)

據(jù)麥姆斯咨詢(xún)報(bào)道，傳感器半導(dǎo)體方案供應(yīng)商湃睿半導(dǎo)體（Prime-Semi）擬于2023年4季度推出光強(qiáng)-時(shí)間法激光測(cè)距套片（Chipset），包括三顆關(guān)鍵器件，如下表（1）所示。

表（1）湃睿半導(dǎo)體激光測(cè)距套片

此外，湃睿半導(dǎo)體正在規(guī)劃更高集成度的方案，具體如下：

? 雪崩二極管 + 跨阻放大器

? 雪崩二極管 + 跨阻放大器 + 后級(jí)運(yùn)放 + 高速比較器 + 飛行時(shí)間測(cè)量芯片

雪崩二極管PTOF-APD1

PTOF-APD1是一顆接收光波長(zhǎng)為905nm的線(xiàn)性雪崩二極管，具有低噪聲、低暗電流和增益等特性，細(xì)節(jié)如下：

? 光敏面直徑：500μm

? 響應(yīng)率：> 50A/W @ 0.85Vbr, 905 nm

? 擊穿電壓：120V、160V、180V三檔，±10V

? 典型增益：100倍 @ 0.85Vbr

? 溫度系數(shù)：1.1V/K

? 暗電流：0.1nA @ 0.85Vbr

PTOF-APD1的光譜響應(yīng)曲線(xiàn)、量子效率、增益vs反向偏置電壓曲線(xiàn)分別如下圖（3）-（5）所示。

圖（3）光譜響應(yīng)曲線(xiàn)（M=1）

圖（4）量子效率（23°C，Vbias=10V）

圖（5）增益vs反向偏置電壓（23°C @ 905nm）

跨阻放大器PTIA-A1

PTIA-A1是一顆高性能差分跨阻放大器，具有低噪聲、高帶寬、固定反饋電阻等特性，細(xì)節(jié)如下：

? 完全差分輸出

? 寬動(dòng)態(tài)范圍

? 閉環(huán)跨阻帶寬：290MHz（20kΩ跨阻增益）

? 輸入引入電流噪聲：77nARMS（20kΩ跨阻增益）

? 超短過(guò)載恢復(fù)時(shí)間：< 10ns（IIN兩倍過(guò)載）

? 內(nèi)部輸入保護(hù)

? 供電

電壓：2.7V ~ 3.6V

電流：23mA

? 溫度范圍：-40°C ~ 85°C

PTIA-A1功能框圖如下圖（6）所示。

圖（6）PTIA-A1功能框圖

通過(guò)VNA測(cè)得其帶寬特性如下圖（7）所示。

圖（7）PTIA-A1帶寬特性

飛行時(shí)間測(cè)量芯片PTOF-T1

PTOF-T1是一顆亞門(mén)級(jí)、超高精度、高度線(xiàn)性化的飛行時(shí)間測(cè)量芯片，基于自主研發(fā)的差分延遲鏈原理完全正向設(shè)計(jì)，其主要特性參數(shù)如下：

? RMS時(shí)間分辨率

20ps典型值（PTOF-T1）

10ps典型值（PTOF-T2）

? 非線(xiàn)性

20ps典型值（INL）

5ps典型值（DNL）

? 時(shí)間窗口長(zhǎng)度：~ 86ms

? Stop-to-stop測(cè)量范圍：1μs

? 通道間隔離（同一時(shí)刻測(cè)得）：最大100ps

? 偏移誤差：100ps典型值

? 偏移誤差溫度漂移：最大3ps/K

? 轉(zhuǎn)換速率峰值：最大50MSPS

? SPI時(shí)鐘頻率：最大40MHz

? 供電電壓：3.3V±10%

? 溫度范圍：溫度范圍：-40°C ~ 85°C

PTOF-T1還具有以下模式：

? 可變粗分環(huán)形振蕩器調(diào)諧模式

? 核心延時(shí)單元的可變?nèi)菪载?fù)載，用以調(diào)節(jié)分辨率

? 核心延時(shí)單元關(guān)停模式，用以降低電流消耗

PTOF-T1功能框圖如圖（8）所示。

圖（8）PTOF-T1功能框圖

Chipset支持

湃睿半導(dǎo)體為合作伙伴提供上述三顆關(guān)鍵器件的數(shù)據(jù)手冊(cè)、應(yīng)用文檔、樣品、評(píng)估套件以及可能的系統(tǒng)級(jí)支持，您可選用單一器件，也可為了更優(yōu)化的供應(yīng)鏈和更可控的系統(tǒng)成本而選用該套片方案。

選用上述套片還可為您帶來(lái)潛在的優(yōu)勢(shì)——湃睿半導(dǎo)體正在規(guī)劃集成化方案（SiP），將雪崩二極管（PTOF-APD1）、跨阻放大器（PTIA-A1）、可能的后級(jí)運(yùn)放（待定）、雙路高速比較器以及飛行時(shí)間測(cè)量芯片（PTOF-T1）進(jìn)行堆疊/平鋪的單片系統(tǒng)，如下圖（9）所示。

圖（9）從套片方案到單片化的激光測(cè)距芯片

關(guān)于湃睿半導(dǎo)體

湃睿半導(dǎo)體（Prime-Semi）由具有20-30年傳感器半導(dǎo)體行業(yè)經(jīng)驗(yàn)的中國(guó)和歐洲技術(shù)團(tuán)隊(duì)聯(lián)合創(chuàng)立，立足于整合從前端敏感元件到后端混合信號(hào)的完整信號(hào)鏈，以敏感原理、硬件電路、內(nèi)部固件三個(gè)層面的融合為核心特色，專(zhuān)注于傳感器片上系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、制造和銷(xiāo)售，使命是讓人、設(shè)備以及環(huán)境之間的感知更加深刻（Sensing Deeper）。






審核編輯：劉清