【导读】激光测距技术一般分为直接飞行时间（dToF）和间接飞行时间（iToF）两大类，其中直接飞行时间主要包括光强-时间法（又称脉冲法，pulsed dToF）和光子数-时间法（SPAD）。
光强-时间法方案通过检测发射波（方波）到接收波（设定阈值比较，上升、下降沿寻峰）的时间差来计算激光通过的距离，其基本原理如下图（1）所示。
图（1）光强-时间法激光测距原理
光强-时间法方案的接收链路主要包括以下关键器件，如下图（2）所示。
• 雪崩二极管（APD）：接收回波脉冲并转换为光电流信号
• 跨阻放大器（TIA）：将光电流信号转换为电压并进行放大
• 高速比较器（COMP）：基于设定的电压阈值，检测接收波
• 飞行时间测量芯片（TOF）：按照一定的精度，检测发射波到接收波的时间差
图（2）光强-时间法激光雷达关键器件
基于合理的器件选择和方案设计，光强-时间法的激光测距仪、激光雷达等设备至少具备以下性能优势：
• 长距离：最高可达数公里
• 高精度：短距离情况下最高可达±10mm
• 高速率：最高可达MHz
• 快速恢复：户外场景下，小于10ns的过载恢复
据麦姆斯咨询报道，传感器半导体方案供应商湃睿半导体（Prime-Semi）拟于2023年4季度推出光强-时间法激光测距套片（Chipset），包括三颗关键器件，如下表（1）所示。
表（1）湃睿半导体激光测距套片
此外，湃睿半导体正在规划更高集成度的方案，具体如下：
• 雪崩二极管 + 跨阻放大器
• 雪崩二极管 + 跨阻放大器 + 后级运放 + 高速比较器 + 飞行时间测量芯片
雪崩二极管PTOF-APD1
PTOF-APD1是一颗接收光波长为905nm的线性雪崩二极管，具有低噪声、低暗电流和增益等特性，细节如下：
• 光敏面直径：500μm
• 响应率：> 50A/W @ 0.85Vbr, 905 nm
• 击穿电压：120V、160V、180V三档，±10V
• 典型增益：100倍 @ 0.85Vbr
• 温度系数：1.1V/K
• 暗电流：0.1nA @ 0.85Vbr
PTOF-APD1的光谱响应曲线、量子效率、增益vs反向偏置电压曲线分别如下图（3）-（5）所示。
图（3）光谱响应曲线（M=1）
图（4）量子效率（23°C，Vbias=10V）
图（5）增益vs反向偏置电压（23°C @ 905nm）
跨阻放大器PTIA-A1
PTIA-A1是一颗高性能差分跨阻放大器，具有低噪声、高带宽、固定反馈电阻等特性，细节如下：
• 完全差分输出
• 宽动态范围
• 闭环跨阻带宽：290MHz（20kΩ跨阻增益）
• 输入引入电流噪声：77nARMS（20kΩ跨阻增益）
• 超短过载恢复时间：< 10ns（IIN两倍过载）
• 内部输入保护
• 供电
- 电压：2.7V ~ 3.6V
- 电流：23mA
• 温度范围：-40°C ~ 85°C
PTIA-A1功能框图如下图（6）所示。
图（6）PTIA-A1功能框图
通过VNA测得其带宽特性如下图（7）所示。
图（7）PTIA-A1带宽特性
飞行时间测量芯片PTOF-T1
PTOF-T1是一颗亚门级、超高精度、高度线性化的飞行时间测量芯片，基于自主研发的差分延迟链原理完全正向设计，其主要特性参数如下：
• RMS时间分辨率
- 20ps典型值（PTOF-T1）
- 10ps典型值（PTOF-T2）
• 非线性
- 20ps典型值（INL）
- 5ps典型值（DNL）
• 时间窗口长度：~ 86ms
• Stop-to-stop测量范围：1μs
• 通道间隔离（同一时刻测得）：最大100ps
• 偏移误差：100ps典型值
• 偏移误差温度漂移：最大3ps/K
• 转换速率峰值：最大50MSPS
• SPI时钟频率：最大40MHz
• 供电电压：3.3V±10%
• 温度范围：温度范围：-40°C ~ 85°C
PTOF-T1还具有以下模式：
• 核心延时单元的可变容性负载，用以调节分辨率
• 核心延时单元关停模式，用以降低电流消耗
PTOF-T1功能框图如图（8）所示。
图（8）PTOF-T1功能框图
Chipset支持
湃睿半导体为合作伙伴提供上述三颗关键器件的数据手册、应用文档、样品、评估套件以及可能的系统级支持，您可选用单一器件，也可为了更优化的供应链和更可控的系统成本而选用该套片方案。
选用上述套片还可为您带来潜在的优势——湃睿半导体正在规划集成化方案（SiP），将雪崩二极管（PTOF-APD1）、跨阻放大器（PTIA-A1）、可能的后级运放（待定）、双路高速比较器以及飞行时间测量芯片（PTOF-T1）进行堆叠/平铺的单片系统，如下图（9）所示。
图（9）从套片方案到单片化的激光测距芯片
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