激光測距技術一般分為直接飛行時間（dToF）和間接飛行時間（iToF）兩大類，其中直接飛行時間主要包括光強-時間法（又稱脈沖法，pulsed dToF）和光子數-時間法（SPAD）。

光強-時間法方案通過檢測發射波（方波）到接收波（設定閾值比較，上升、下降沿尋峰）的時間差來計算激光通過的距離，其基本原理如下圖（1）所示。

圖（1）光強-時間法激光測距原理

光強-時間法方案的接收鏈路主要包括以下關鍵器件，如下圖（2）所示。

? 雪崩二極管（APD）：接收回波脈沖并轉換為光電流信號

? 跨阻放大器（TIA）：將光電流信號轉換為電壓并進行放大

? 高速比較器（COMP）：基于設定的電壓閾值，檢測接收波

? 飛行時間測量芯片（TOF）：按照一定的精度，檢測發射波到接收波的時間差

圖（2）光強-時間法激光雷達關鍵器件

基于合理的器件選擇和方案設計，光強-時間法的激光測距儀、激光雷達等設備至少具備以下性能優勢：

? 長距離：最高可達數公里

? 高精度：短距離情況下最高可達±10mm

? 高速率：最高可達MHz

? 快速恢復：戶外場景下，小于10ns的過載恢復

據麥姆斯咨詢報道，傳感器半導體方案供應商湃睿半導體（Prime-Semi）擬于2023年4季度推出光強-時間法激光測距套片（Chipset），包括三顆關鍵器件，如下表（1）所示。

表（1）湃睿半導體激光測距套片

此外，湃睿半導體正在規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 + 后級運放 + 高速比較器 + 飛行時間測量芯片

雪崩二極管PTOF-APD1

PTOF-APD1是一顆接收光波長為905nm的線性雪崩二極管，具有低噪聲、低暗電流和增益等特性，細節如下：

? 光敏面直徑：500μm

? 響應率：> 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：1.1V/K

? 暗電流：0.1nA @ 0.85Vbr

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

圖（3）光譜響應曲線（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，細節如下：

? 完全差分輸出

? 寬動態范圍

? 閉環跨阻帶寬：290MHz（20kΩ跨阻增益）

? 輸入引入電流噪聲：77nARMS（20kΩ跨阻增益）

? 超短過載恢復時間：< 10ns（IIN兩倍過載）

? 內部輸入保護

? 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VNA測得其帶寬特性如下圖（7）所示。

圖（7）PTIA-A1帶寬特性

飛行時間測量芯片PTOF-T1

PTOF-T1是一顆亞門級、超高精度、高度線性化的飛行時間測量芯片，基于自主研發的差分延遲鏈原理完全正向設計，其主要特性參數如下：

? RMS時間分辨率

20ps典型值（PTOF-T1）

10ps典型值（PTOF-T2）

? 非線性

20ps典型值（INL）

5ps典型值（DNL）

? 時間窗口長度：~ 86ms

? Stop-to-stop測量范圍：1μs

? 通道間隔離（同一時刻測得）：最大100ps

? 偏移誤差：100ps典型值

? 偏移誤差溫度漂移：最大3ps/K

? 轉換速率峰值：最大50MSPS

? SPI時鐘頻率：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：

? 可變粗分環形振蕩器調諧模式

? 核心延時單元的可變容性負載，用以調節分辨率

? 核心延時單元關停模式，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

湃睿半導體為合作伙伴提供上述三顆關鍵器件的數據手冊、應用文檔、樣品、評估套件以及可能的系統級支持，您可選用單一器件，也可為了更優化的供應鏈和更可控的系統成本而選用該套片方案。

選用上述套片還可為您帶來潛在的優勢——湃睿半導體正在規劃集成化方案（SiP），將雪崩二極管（PTOF-APD1）、跨阻放大器（PTIA-A1）、可能的后級運放（待定）、雙路高速比較器以及飛行時間測量芯片（PTOF-T1）進行堆疊/平鋪的單片系統，如下圖（9）所示。

圖（9）從套片方案到單片化的激光測距芯片

關于湃睿半導體

湃睿半導體（Prime-Semi）由具有20-30年傳感器半導體行業經驗的中國和歐洲技術團隊聯合創立，立足于整合從前端敏感元件到后端混合信號的完整信號鏈，以敏感原理、硬件電路、內部固件三個層面的融合為核心特色，專注于傳感器片上系統的設計、開發、制造和銷售，使命是讓人、設備以及環境之間的感知更加深刻（Sensing Deeper）。






審核編輯：劉清