基于线性模式APD的阵列式激光雷达构架及单元电路研究

作     者：刘学邦 

作者单位：西安电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：朱樟明;刘洪涛

授予年度：2019年

学科分类：080904[工学-电磁场与微波技术] 0810[工学-信息与通信工程] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 081105[工学-导航、制导与控制] 081001[工学-通信与信息系统] 081002[工学-信号与信息处理] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 0811[工学-控制科学与工程] 

主      题：跨阻放大器 比较器 单端转差分电路 峰值采样保持电路 时间数字转换器 阵列式 

摘      要：随着人工智能的发展,机器人、无人机和无人车等相关领域竞争变的十分激烈。而激光雷达好比于机器的眼睛,是目前研究的重点方向。激光雷达系统包括了许多模块以及单元电路,从设计难度以及重要性来说,前端接收电路是整个系统的核心。本文基于SMIC 0.18μm CMOS工艺,提出了一种高性能的55阵列式激光雷达系统以及其中的单元电路,包括:跨阻放大器、比较器、单端转差分电路、峰值采样保持电路和时间数字转换器等。本文所提出的跨阻放大器主要包括电流镜式跨阻前置放大器和电流复用反相器形式跨阻放大器,在逻辑电路的控制下可以实现四档增益的切换,是一种高增益大动态范围的跨阻放大器;本文所提出的比较器为了达到小信号与大信号之间传输延迟的平衡,选择了高增益、高带宽以及多级的低散布延迟结构。因为在高增益下,大信号传输延时较低,小信号传输延时较高,而多级比较器不仅可以使大信号经过每一级时增大延迟时间,也能使整个电路带宽增加,从而减少小信号的传输延时;本文所提出的单端转差分电路用于跨阻放大器中,电流镜模块由恒流电流源构成。该结构具有精度高,带宽宽,转换器增益可调节,输出共模电压可调节,输出差分信号幅度和相位误差小,对称性高等优势;本文设计了一种具有高线性度、高采样精度以及低电压过冲的峰值采样保持电路,输出电压经过后级ADC进行转换,有助于提高整体系统精度;本文基于FPGA提出了一种时间数字转换器(TDC),仅用一个TDC便可以测量出双阈值法下的多个Stop信号。在粗计数阶段用计数器记录时钟信号的个数,在细计数阶段用进位链的结构进行边沿检测,两个结果相加就是整个TDC的输出结果。这些单元电路可以组合成一个单通道的激光雷达,通过进一步的多通道设计,得到本文所提出的阵列式激光雷达系统。采用Cadence Spectre工具,针对电路版_进行了后仿真,本文所设计的跨阻放大器的增益动态范围达到了60dB(46dB106dB),转化为实际应用即可测量0.5mAmA的电流;本文所设计的比较器输出上升沿(取整个上升过程中间百分之八十部分)只有66.42ps左右,这将给后级TDC精度提供一定保证。根据低延迟散步的要求,最小的输入的传输延迟和最大的输入的传输延迟相比,两个延迟的误差仅有320ps;本文所设计的单端转差分电路差分输出所产生的对称误差小于10%;本文所设计的峰值采样保持电路过冲误差小于10%;经过FPGA的测试,本文所设计的时间数字转换器能测最远距离为200m,测量误差为厘米级别。