125PS LSB column parallel time to digital converter integrated circuit for lidar applications

Bu tez ışık saptama ve uzaklık tayini (LIDAR) uygulamaları için kolon paralel zaman – sayısal çevirici (TDC) tümleşik devresini sunmaktadır. Tasarım direkt uçuş zamanı (dToF) ölçümü tekniğine dayanmaktadır. Tek foton çığ ışık diyotu (SPAD) dizilimi ile kullanılmak için üretilmiştir. TDC 1μs'lik zaman farklılıklarını 125ps hassasiyet ile ölçebilir. Bu TDC 4 ana bloktan oluşmaktadır. Uzun mesafeli ve yüksek hassasiyetli TDC uygulayabilmek için sayaç, faz kilitlemeli döngüsü (PLL), gecikme kilitlemeli döngüsü (DLL), dallı gecikme hattı (TDL) birlikte kullanılmıştır. Sayaç zaman farkı giriş aralığını artırmak için kullanılmıştır. PLL referans saat işaretini frekansını artırır. PLL'in gerilim kumanda osilatörü bir halka salınıcıdır ve dört diferansiyel fazdan oluşur. Bu diferansiyel fazların çıktıları 45 derecelik faz farklılıklarına sahiptir ve daha iyi zamanlama çözünürlüğü elde etmek için kullanılır (DLL işlemine benzer). Hassas zaman çözünürlüğü sağlamak için TDL kullanılmıştır. TDL, iyi tanımlanmış gecikme sürelerine sahip bir dizi seri gecikme hücresi içerir. Hücrelerin gecikme süreleri özel bir DLL tarafından ayarlanır. Daha az güç tüketimi için TDL olay güdümlü mimariye sahiptir. Tasarım 180nm CMOS teknolojisi ile uygulanmıştır. TDC 128 kolona sahiptir ve 26μm piksel aralığında uygulanmıştır. En az ağırlıklı bit (LSB) 125ps'dir ve çözünürlük 13bit'tir, maksimum giriş aralığı 1024ns (mesafede 150m) ile sonuçlanır. Sistemin INL ve DNL'si maksimum +2/-1 LSB'dir. Titreşim gürültüsü 8.4ps'dir ve 0.5LSB'nin oldukça altındadır. Örnekleme hızı 1MS/s'dir. Sistemin güç tüketimi (tüm alt bloklar dahil) 20,5mW'dir.