鄭炯衛(wèi)，唐 鶴，劉增鑫，陳科全，楊 磊，甄少偉，張 波

（電子科技大學(xué)，成都 610054）

1 引言

近年來(lái)，隨著人工智能的演進(jìn)，高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)（Advanced Driver Assistance Systems，ADAS）受到了越來(lái)越多的青睞。而激光雷達(dá)技術(shù)可得到外界環(huán)境的三維數(shù)據(jù)，為ADAS、機(jī)器視覺(jué)等應(yīng)用提供了感知真實(shí)世界的可能。激光三維成像焦平面技術(shù)要求有更大的陣列規(guī)模、更快的速度、更高的精度以及更大的測(cè)量范圍。TAC是三維成像焦平面技術(shù)的核心模塊。而傳統(tǒng)的像素級(jí)TAC通過(guò)采樣單個(gè)斜坡電壓產(chǎn)生，以采樣電壓代表時(shí)間間隔，受限于ADC的分辨率，基于單斜坡的TAC在動(dòng)態(tài)范圍和精度之間存在矛盾。斜率較高的斜坡可以實(shí)現(xiàn)較高的距離分辨率，但動(dòng)態(tài)范圍窄；斜率較低的斜坡距離分辨率較低，但動(dòng)態(tài)范圍寬。因此，如何實(shí)現(xiàn)高精度、寬動(dòng)態(tài)范圍的像素級(jí)TAC成為限制焦平面技術(shù)發(fā)展的難題[1]。

本文提出了一種雙斜坡組合方案實(shí)現(xiàn)像素級(jí)TAC，像素內(nèi)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只占用很小的芯片面積，便于在同一芯片上集成大量的TAC，這樣焦平面技術(shù)也更容易做更大的陣列規(guī)模。TAC可以實(shí)現(xiàn)更高的精度，其最小分辨的時(shí)間精度可以達(dá)到500 ps，同時(shí)TAC又可以實(shí)現(xiàn)很寬的動(dòng)態(tài)范圍，時(shí)間間隔在0～8 μs的范圍內(nèi)均可精確測(cè)量，這樣便實(shí)現(xiàn)了寬動(dòng)態(tài)范圍高精度的像素級(jí)TAC，在量化電壓為11.7 mV時(shí)，整體電路實(shí)現(xiàn)了14位的有效精度，微分非線性DNL最大僅有0.9 LSB，積分非線性INL最大僅有1.3 LSB。

2 整體電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)TAC是采用單斜坡的方式，依據(jù)采樣的單斜坡電壓的大小量化時(shí)間間隔的長(zhǎng)短，由于斜坡的擺幅受限于電源電壓，TAC的動(dòng)態(tài)范圍和精度存在折中，若斜坡的積分時(shí)間很長(zhǎng)，TAC的動(dòng)態(tài)范圍也就很寬，但TAC的精度不高；若斜坡的積分時(shí)間很短，TAC的精度會(huì)很高，但TAC的動(dòng)態(tài)范圍會(huì)很窄，本文正是針對(duì)傳統(tǒng)TAC在精度和動(dòng)態(tài)范圍之間的矛盾，設(shè)計(jì)了一種雙斜坡采樣的TAC[2-4]。

圖1給出了該TAC的整體結(jié)構(gòu)框圖，包括階梯信號(hào)產(chǎn)生模塊（Step Wave）、三角波信號(hào)產(chǎn)生模塊（Triangular Wave）、像素陣列和控制邏輯部分。

圖1 整體電路結(jié)構(gòu)框圖

階梯信號(hào)產(chǎn)生模塊產(chǎn)生全局的階梯波，用于判斷時(shí)間間隔的高6位，三角波信號(hào)產(chǎn)生模塊產(chǎn)生全局的三角波信號(hào)，用于判斷時(shí)間的低8位，它們均為所有像素單元所共有，其性能直接影響所有像素的有效精度以及線性度，是整個(gè)電路最關(guān)鍵的部分。

像素陣列是重復(fù)性單元，每個(gè)像素陣列均由完全相同的模塊組成，由于陣列的規(guī)模比較大，單個(gè)像素的面積和功耗顯得特別重要，本文設(shè)計(jì)的像素單元中TAC部分僅由兩個(gè)MOS開(kāi)關(guān)和MOS電容組成，只占用很小的芯片面積，消耗極低的功耗，滿足激光三維成像焦平面的需求。

3 關(guān)鍵電路模塊設(shè)計(jì)

三角波信號(hào)產(chǎn)生模塊和階梯波信號(hào)產(chǎn)生模塊分別產(chǎn)生全局的階梯波信號(hào)和三角波信號(hào)。像素是重復(fù)性單元，由兩個(gè)采樣保持電路組成，兩個(gè)采樣保持電路分別采樣STOP信號(hào)對(duì)應(yīng)時(shí)刻的階梯波和三角波的電壓值，并以此量化每個(gè)像素內(nèi)時(shí)間間隔的大小。

3.1 三角波信號(hào)產(chǎn)生模塊

圖2是三角波信號(hào)產(chǎn)生模塊示意圖，圖3是相應(yīng)的信號(hào)時(shí)序控制圖，三角波信號(hào)的產(chǎn)生分為3個(gè)階段，分別是電路復(fù)位階段、產(chǎn)生三角波階段和保持階段。

圖2 三角波產(chǎn)生模塊

圖3 三角波產(chǎn)生模塊信號(hào)時(shí)序圖

首先電路進(jìn)入復(fù)位階段，復(fù)位信號(hào)RESET為高電平，運(yùn)算放大器AMP做單位增益緩沖器，其輸出端電壓被置位到基準(zhǔn)電壓VREF。

當(dāng)復(fù)位階段完成后，復(fù)位信號(hào)RESET和時(shí)間起始信號(hào)START同時(shí)翻轉(zhuǎn)，電路進(jìn)入產(chǎn)生三角波的階段，此時(shí)運(yùn)算放大器AMP與電容C構(gòu)成一個(gè)積分器，復(fù)位后RS觸發(fā)器的QN輸出端為低電平，此時(shí)M3導(dǎo)通，電流源IB1的電流全部通過(guò)M2流到電流源IB3，只有電流源IB2的電流I會(huì)流過(guò)積分器，因電流I不斷抽取積分器中電容C上存儲(chǔ)的電荷，積分器輸出端電壓逐漸上升，那么則有：

積分器輸出電壓不斷上升，比較器COMP1不斷比較積分器輸出電壓和上限電壓VH的大小，當(dāng)積分器輸出端電壓高于上限電壓VH時(shí)，比較器COMP1輸出端電壓會(huì)迅速翻轉(zhuǎn)到0，即RS觸發(fā)器的R輸入端迅速翻轉(zhuǎn)到0。由于積分器的輸出電壓一直高于下限電壓VL，那么比較器COMP2的輸出端電壓維持高電平不變，RS觸發(fā)器處于置位階段，其QN輸出端會(huì)迅速?gòu)牡碗娢?翻轉(zhuǎn)到高電位1，此時(shí)，M2截止，電流源IB1的電流2I開(kāi)始流過(guò)積分器，但由于電流源IB2的電流只有電流源IB1電流的一半，因此流經(jīng)積分器的等效總電流是大小為I的向下灌入電流，由于不斷有電流灌入積分器中的電容C，此時(shí)積分器的輸出電壓產(chǎn)生向下的斜坡，那么則有：

此時(shí)，積分器產(chǎn)生向下的斜坡，比較器COMP1輸出端又迅速?gòu)牡碗娖椒D(zhuǎn)到高電平，那么RS觸發(fā)器的R=1，S=1，RS觸發(fā)器處于保持狀態(tài)，RS觸發(fā)器的QN輸出端保持為高電平不變，由于比較器COMP1輸出端保持低電平的時(shí)間很短，因此表現(xiàn)為一窄脈沖信號(hào)。

與上升階段類(lèi)似，積分器輸出電壓不斷下降，比較器COMP2不斷比較積分器輸出電壓和下限電壓VL的大小，當(dāng)積分器輸出端電壓高于下限電壓VL時(shí)，比較器COMP2輸出端電壓會(huì)迅速翻轉(zhuǎn)到0，即RS觸發(fā)器的S輸入端迅速翻轉(zhuǎn)到0，由于積分器的輸出電壓一直低于上限電壓VH，那么比較器COMP1的輸出端電壓維持高電平不變，RS觸發(fā)器處于復(fù)位階段，其QN輸出端會(huì)迅速?gòu)母唠娢?翻轉(zhuǎn)到低電位0，此時(shí)M2導(dǎo)通，電流源IB1中的電流通過(guò)M3流到電流源IB3，這時(shí)只有電流源IB2的電流I會(huì)流過(guò)積分器，電流I不斷抽取積分器中電容C上存儲(chǔ)的電荷，輸出端電壓逐漸上升，此時(shí)與剛開(kāi)始產(chǎn)生斜坡信號(hào)的情況相同，實(shí)際上，應(yīng)取VL=VREF，這樣便可以產(chǎn)生理想的三角波，那么此時(shí)：

類(lèi)似的，此時(shí)比較器COMP2輸出端保持低電平的時(shí)間也很短，也表現(xiàn)為一窄脈沖信號(hào)。

在此過(guò)程中，若START信號(hào)一直為高電平，那么此過(guò)程將會(huì)不斷地重復(fù)下去，積分器輸出端電壓便交替產(chǎn)生向上和向下的斜坡，因此便產(chǎn)生了三角波信號(hào)。

當(dāng)產(chǎn)生三角波的階段完成后，時(shí)間起始信號(hào)START由高電平翻轉(zhuǎn)為低電平，此時(shí)便進(jìn)入了保持階段，由于時(shí)間起始信號(hào)START控制的開(kāi)關(guān)關(guān)斷，此時(shí)不再有電流抽取或者灌入積分器中電容C上存儲(chǔ)的電荷，積分器輸出端電壓不再變化。

產(chǎn)生的三角波經(jīng)過(guò)BUFFER后推送到每一個(gè)像素內(nèi)，BUFFER的作用是匹配前后級(jí)的負(fù)載，隔離后級(jí)電路對(duì)前級(jí)電路的影響。

3.2 階梯波信號(hào)產(chǎn)生模塊

圖4是階梯波信號(hào)產(chǎn)生模塊示意圖，圖5是相應(yīng)的信號(hào)時(shí)序控制圖。與三角波對(duì)應(yīng)，階梯波的產(chǎn)生也分為3個(gè)階段，分別是復(fù)位階段、產(chǎn)生階梯方波階段和保持階段。在復(fù)位階段，階梯波和三角波共用同一復(fù)位信號(hào)；在產(chǎn)生階梯波的階段，三角波產(chǎn)生模塊中的RS觸發(fā)器輸出端QN為其提供時(shí)鐘信號(hào)CLOCK，不需要片外單獨(dú)提供時(shí)鐘，這樣既可以減少外部時(shí)鐘的數(shù)量，又可以很好地匹配三角波產(chǎn)生模塊和階梯波產(chǎn)生模塊的邏輯電路，降低時(shí)鐘抖動(dòng)的影響。

圖4 階梯波產(chǎn)生模塊

圖5 階梯波產(chǎn)生模塊信號(hào)時(shí)序圖

由于階梯波產(chǎn)生模塊和三角波產(chǎn)生模塊共用同一個(gè)復(fù)位信號(hào)，因此在三角波產(chǎn)生模塊進(jìn)入復(fù)位階段的同時(shí)，階梯波產(chǎn)生模塊也進(jìn)入復(fù)位階段，此時(shí)所有D觸發(fā)器的輸出電壓均復(fù)位到低電平，開(kāi)關(guān)S0、S1、S2、S3等均截止，而運(yùn)算放大器AMP連接成單位增益負(fù)反饋的形式，因此其輸出端電壓復(fù)位為VREF。

當(dāng)復(fù)位信號(hào)RESERT由高電平翻轉(zhuǎn)為低電平時(shí)，此時(shí)階梯波產(chǎn)生模塊進(jìn)入產(chǎn)生階梯波的階段，不過(guò)此時(shí)由于三角波產(chǎn)生模塊也是剛進(jìn)入產(chǎn)生三角波的階段，其RS觸發(fā)器的輸出端QN還將維持不變，也即時(shí)鐘信號(hào)CLOCK維持低電平不變，那么此時(shí)并沒(méi)有電流流過(guò)電阻R，因此運(yùn)放輸出端電壓保持為VREF不變。

當(dāng)三角波產(chǎn)生模塊的RS觸發(fā)器輸出端QN由低電平翻轉(zhuǎn)為高電平時(shí)，也即時(shí)鐘信號(hào)CLOCK第一個(gè)上升沿來(lái)臨時(shí)，此時(shí)Q0由低電平翻轉(zhuǎn)為高電平，而Q1、Q2等保持為低電平不變，開(kāi)關(guān)S0導(dǎo)通，這時(shí)將有電流I流過(guò)電阻R，電阻R上會(huì)有壓降IR，因此運(yùn)放AMP輸出端電壓由VREF翻轉(zhuǎn)為VREF+IR。

當(dāng)三角波產(chǎn)生模塊的RS觸發(fā)器輸出端QN由高電平翻轉(zhuǎn)為低電平時(shí)，也即時(shí)鐘信號(hào)CLOCK第一個(gè)下降沿來(lái)臨時(shí)，此時(shí)Q1由低電平翻轉(zhuǎn)到高電平，而Q0、Q2、Q3保持不變，開(kāi)關(guān)S1導(dǎo)通，因此將有電流2I流過(guò)電阻R，電阻R上會(huì)有壓降2IR，因此運(yùn)放AMP輸出端電壓由VREF+IR翻轉(zhuǎn)為VREF+2IR。

隨著三角波產(chǎn)生模塊的RS觸發(fā)器輸出端QN交替不斷地向上向下翻轉(zhuǎn)，也即時(shí)鐘信號(hào)CLOCK交替不斷地向上向下翻轉(zhuǎn)，那么上述過(guò)程將會(huì)不斷重復(fù)下去，因此運(yùn)算放大器AMP輸出端便產(chǎn)生階梯波。

當(dāng)RS觸發(fā)器輸出端QN不再翻轉(zhuǎn)時(shí)，時(shí)鐘信號(hào)CLOCK也跟著不再翻轉(zhuǎn)，流過(guò)電阻R的電流不再增加，電路進(jìn)入保持階段，運(yùn)放AMP輸出端電壓也將維持最終電壓，不再變化。

產(chǎn)生的階梯波同樣需要BUFFER推送到像素內(nèi)，BUFFER的作用也是匹配前后級(jí)的負(fù)載，隔離后級(jí)電路對(duì)前級(jí)電路的影響。

該階梯波信號(hào)產(chǎn)生模塊采用溫度計(jì)編碼方式的DAC，相對(duì)于二進(jìn)制編碼方式的DAC，這樣可以避免短時(shí)脈沖波形干擾，輸出的階梯波可以實(shí)現(xiàn)很好的單調(diào)性、由電流源失配引起的DNL小等優(yōu)點(diǎn)[5]。

3.3 像素陣列模塊

像素陣列模塊是重復(fù)性單元，每個(gè)像素內(nèi)部的電路完全相同，由于陣列的規(guī)模比較大，每個(gè)像素單元即使增加很小的面積，對(duì)于整個(gè)陣列而言芯片增加的面積也是巨大的，因此設(shè)計(jì)像素時(shí)應(yīng)盡可能選取簡(jiǎn)單的電路結(jié)構(gòu)。

本文選取的像素結(jié)構(gòu)如圖6所示，其時(shí)序控制圖如圖7所示。像素由兩個(gè)簡(jiǎn)單的采樣保持電路組成，每個(gè)采樣保持電路只有一個(gè)開(kāi)關(guān)和電容，其中開(kāi)關(guān)是由CMOS傳輸門(mén)組成，其中NMOS管的尺寸是440 nm/600 nm，PMOS 管的尺寸是 1 μm/600 nm，而NMOS管和PMOS管的最小尺寸均為220nm/600nm，為了消除開(kāi)關(guān)切換時(shí)時(shí)鐘饋通和電荷注入的影響，CMOS傳輸門(mén)兩邊均加Dummy管，Dummy管的尺寸為CMOS傳輸門(mén)的一半。電容由工作在飽和區(qū)的NMOS管組成，考慮到開(kāi)關(guān)切換時(shí)KT/C噪聲的影響，采樣階梯波電壓的電容取40 fF，采樣三角波電壓的電容取100 fF[5-6]?？梢?jiàn)，每個(gè)像素內(nèi)的電路具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、面積小、靜態(tài)功耗低的優(yōu)點(diǎn)，這樣像素陣列的規(guī)模便可以做到很大。

圖6 像素單元結(jié)構(gòu)示意圖

圖7 像素單元時(shí)序控制圖

如圖7所示，當(dāng)像素內(nèi)的時(shí)間終止信號(hào)STOP為高電平時(shí)，開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，兩個(gè)采樣保持電路分別隨階梯波和三角波電壓的變化而變化，當(dāng)時(shí)間終止信號(hào)STOP由高電平翻轉(zhuǎn)到低電平的瞬間，開(kāi)關(guān)截止，兩個(gè)采樣保持電路分別采樣了該時(shí)刻階梯波信號(hào)和三角波信號(hào)對(duì)應(yīng)的電壓，然后用采樣的階梯波的電壓粗量化時(shí)間，用于判斷時(shí)間所在的區(qū)間，用采樣的三角波電壓細(xì)量化時(shí)間，以便更精確地判斷時(shí)間的長(zhǎng)短，這樣便實(shí)現(xiàn)了高精度寬動(dòng)態(tài)范圍的像素級(jí)TAC。

4 仿真結(jié)果

該電路采用了0.18 μm標(biāo)準(zhǔn)CMOS進(jìn)行設(shè)計(jì)。三角波信號(hào)產(chǎn)生模塊中復(fù)位的電壓VREF和比較器的下限電壓均是1 V，比較器的上限電壓是4 V，因此三角波每次均是從1 V上升到4 V再下降到1 V，其周期是256 ns，由于三角波要實(shí)現(xiàn)細(xì)量化時(shí)間，量化的精度是8位，因此，時(shí)間分辨率應(yīng)為500 ps，三角波的精度應(yīng)不低于11.7 mV。

階梯波信號(hào)產(chǎn)生模塊中復(fù)位的電壓VREF也是1 V，每次階躍的時(shí)間間隔是三角波的半個(gè)周期，也即128ns，由于階梯波要實(shí)現(xiàn)時(shí)間的粗量化，量化的精度是6位，因此階梯波要實(shí)現(xiàn)64次階躍，考慮到電源電壓的限制，64次階躍后階梯波上升到4 V，因此每次階躍的電壓高度是46.8 mV。

圖8是一個(gè)像素的瞬態(tài)仿真結(jié)果圖，START信號(hào)和STOP信號(hào)的時(shí)間間隔是290 ns，根據(jù)采樣結(jié)果來(lái)看，采樣階梯波電壓值是1.094 V，可以判斷出時(shí)間處在第二個(gè)階梯上，以此推算出時(shí)間的高位是256 ns，采樣的三角波電壓值是1.797 V，可以判斷時(shí)間的低位是34 ns，以此便可得出STOP信號(hào)是290 ns，即可驗(yàn)證電路設(shè)計(jì)的正確性。

圖8 瞬態(tài)仿真結(jié)果

積分非線性（INL）是實(shí)際有限精度特性曲線與理想有限精度特性曲線在垂直方向上的差值，微分非線性（DNL）是在每個(gè)垂直臺(tái)階上測(cè)量的相鄰編碼之間的距離。

由于三角波具有周期性，其DNL和INL關(guān)系曲線也是不斷重復(fù)的，因此分析其INL和DNL時(shí)不需要在整個(gè)時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行分析，本文接下來(lái)分析其在0～500 ns內(nèi)的DNL和INL，也就是其前兩個(gè)周期內(nèi)的結(jié)果。對(duì)于固定的時(shí)間間隔，也即START信號(hào)與STOP信號(hào)之間的時(shí)間間隔固定時(shí)，該TAC會(huì)得到一個(gè)采樣結(jié)果，以此采樣結(jié)果可還原出時(shí)間間隔，通過(guò)不斷改變時(shí)間間隔的長(zhǎng)短，會(huì)得到一系列的采樣結(jié)果，并以此還原出一系列的時(shí)間間隔，把還原出的時(shí)間間隔與設(shè)定的時(shí)間間隔進(jìn)行分析，便可得到該TAC的INL和DNL關(guān)系曲線，圖9是該TAC的DNL關(guān)系曲線，圖10是該TAC的INL關(guān)系曲線，其中LSB是11.7 mV。

圖9 TAC的DNL

圖10 TAC的INL

當(dāng)時(shí)間間隔很短時(shí)或者時(shí)間間隔處于階梯波的階躍點(diǎn)和三角波的拐角點(diǎn)，此時(shí)DNL和INL稍差，這是因?yàn)橄到y(tǒng)由一個(gè)狀態(tài)切換到另一個(gè)狀態(tài)需要時(shí)間響應(yīng)，等系統(tǒng)狀態(tài)穩(wěn)定以后，其DNL和INL會(huì)很小。根據(jù)仿真結(jié)果可以得到，DNL最大有0.9 LSB，INL最大有1.3 LSB，這已經(jīng)是非常好的結(jié)果，滿足絕大部分場(chǎng)合下的應(yīng)用了。

以上仿真和分析是基于單個(gè)像素而言的，整體上TAC實(shí)現(xiàn)了14位的分辨率，其中階梯波實(shí)現(xiàn)了高6位的精度，三角波實(shí)現(xiàn)了低8位的精度，TAC時(shí)間分辨率的精度達(dá)到了 500 ps，動(dòng)態(tài)范圍也有 0～8 μs，DNL是0.9 LSB，INL是1.3 LSB。

表1是本設(shè)計(jì)與先前的文獻(xiàn)對(duì)比的結(jié)果，文獻(xiàn)[2]～[4]是通過(guò)傳統(tǒng)的單斜坡的方式實(shí)現(xiàn)的TAC，雖然能實(shí)現(xiàn)很高的精度，但其動(dòng)態(tài)范圍很有限，文獻(xiàn)[2]的動(dòng)態(tài)范圍最大，也不過(guò)200 ns，遠(yuǎn)不能滿足焦平面讀出電路的需求；本文和文獻(xiàn)[7]均是采用三角波進(jìn)行時(shí)間的細(xì)量化，指標(biāo)接近，但文獻(xiàn)[7]是通過(guò)數(shù)字的方式進(jìn)行時(shí)間的粗量化，需要6 bit的計(jì)數(shù)器，這對(duì)焦平面讀出電路而言，像素面積是無(wú)法接受的，文獻(xiàn)[8]～[10]雖然也能做到很高的精度，但是其動(dòng)態(tài)范圍也很窄，亦不能滿足焦平面讀出電路的需求。本文中的TAC動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)8 μs，精度也可以達(dá)到500 ps，解決了激光三維成像焦平面讀出電路的需求。

表1 該電路與先前電路的對(duì)比

5 結(jié)論

文中介紹了一款高精度寬動(dòng)態(tài)范圍的像素級(jí)TAC，其原理是用雙斜坡組合的方案量化時(shí)間，采樣階梯波粗量化時(shí)間，采樣三角波電壓細(xì)量化時(shí)間，整體上TAC實(shí)現(xiàn)了14位的精度，最小分辨精度500 ps，動(dòng)態(tài)范圍是8 μs，DNL最大是0.9 LSB，INL是1.3 LSB，實(shí)現(xiàn)了高精度寬動(dòng)態(tài)范圍的像素級(jí)TAC。電路整體功能正常，滿足激光焦平面成像電路的應(yīng)用要求。