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湃睿半導體擬推出光強-時間法激光測距套片(Chipset)

MEMS ? 來源:MEMS ? 2023-10-13 09:19 ? 次閱讀
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激光測距技術(shù)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(shù)-時間法(SPAD)。

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

wKgZomUom6yAMD3AAAFMrm4mw3E580.jpg

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(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)換為光電信號

? 跨阻放大器TIA):將光電流信號轉(zhuǎn)換為電壓并進行放大

? 高速比較器(COMP):基于設(shè)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(fā)射波到接收波的時間差

wKgaomUom6yALhpHAAJko22n5f8214.jpg

圖(2)光強-時間法激光雷達關(guān)鍵器件

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

? 長距離:最高可達數(shù)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(jù)麥姆斯咨詢報道,傳感器半導體方案供應(yīng)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(guān)鍵器件,如下表(1)所示。

表(1)湃睿半導體激光測距套片

wKgaomUom6yADvcFAABya0-ogG4269.jpg

此外,湃睿半導體正在規(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(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、量子效率、增益vs反向偏置電壓曲線分別如下圖(3)-(5)所示。

wKgaomUom6yAbtM3AABQjNKA_Jc095.jpg

圖(3)光譜響應(yīng)曲線(M=1)

wKgaomUom6yAKr1KAABRhj2zXBY354.jpg

圖(4)量子效率(23°C,Vbias=10V)

wKgZomUom6yAfTuEAADWPEE2IWI801.jpg

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(jié)如下:

? 完全差分輸出

? 寬動態(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)

? 超短過載恢復時間:< 10ns(IIN兩倍過載)

? 內(nèi)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。

wKgaomUom6yAD_sEAACdFx4zq2I379.jpg

圖(6)PTIA-A1功能框圖

通過VNA測得其帶寬特性如下圖(7)所示。

wKgZomUom6yAS0b5AAHwYQaLY64317.jpg

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(fā)的差分延遲鏈原理完全正向設(shè)計,其主要特性參數(shù)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(zhuǎn)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(huán)形振蕩器調(diào)諧模式

? 核心延時單元的可變?nèi)菪载撦d,用以調(diào)節(jié)分辨率

? 核心延時單元關(guān)停模式,用以降低電流消耗

PTOF-T1功能框圖如圖(8)所示。

wKgZomUom6yAG4bpAADCqLB0kT0793.jpg

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(guān)鍵器件的數(shù)據(jù)手冊、應(yīng)用文檔、樣品、評估套件以及可能的系統(tǒng)級支持,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潛在的優(yōu)勢——湃睿半導體正在規(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(tǒng),如下圖(9)所示。

wKgaomUom6yAI-G6AABIEuOGiJQ242.jpg

圖(9)從套片方案到單片化的激光測距芯片

關(guān)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(yè)經(jīng)驗的中國和歐洲技術(shù)團隊聯(lián)合創(chuàng)立,立足于整合從前端敏感元件到后端混合信號的完整信號鏈,以敏感原理、硬件電路、內(nèi)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(tǒng)的設(shè)計、開發(fā)、制造和銷售,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

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原文標題:湃睿半導體推出光強-時間激光測距套片

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