抑制背景光噪声的光斑激光雷达传感器制造技术

本发明专利技术提供了一种用于激光雷达传感器的背景光噪声抑制电路以及

【技术实现步骤摘要】
抑制背景光噪声的光斑激光雷达传感器


[0001]本公开总体上涉及激光雷达传感器领域，特别的，涉及一种用于单光子雪崩二极管
(SPAD)
的光斑
(SPOT)
激光雷达传感器中的背景光噪声抑制电路，其中，所述背景光噪声抑制电路包含针对组合逻辑和重合检测
(Coincidence detection)
电路的优化
。
此外针对
SPOT
激光雷达传感器面积大，功耗高的问题，提出一种
SPAD
单元小型化的传感器芯片架构的优化方案
。

技术介绍

[0002]直接飞行时间
(DToF)
激光雷达
(Lidar)
是一种主动光深度传感器系统，至少包含发射端
Tx
和接收端
Rx
两个主要部分
。Tx
发射短脉冲激光，照射到被测物体，部分激光反射后被
Rx
接受
。
由于
Tx
与
Rx
的同步信号，控制电路可以记录激光在空中来回飞行的时间
t,
已知光速
C
，可以得到物体的距离
d
＝
1/2*C*t。
[0003]作为激光雷达中的传感器，
SPAD
传感器基本的功能模块如图1所示
。
图1是示出了
CMOS SPAD
传感器的结构框图，其主要包括：
a)SPAD
单元和配套
SPAD
单元的淬熄
/
充电
(Quenching/Recharge)
电路
、b)
组合逻辑网络电路
、c)
重合控制器
(Coincidence Controller)
电路
、d)
输出位宽宽度
(bin width)
可调的单
/
多通道时间数字转换器
(Single/Multi
‑
Channel TDC)、e)
存储
SPAD
雪崩信息的存储器
(
通常是
SRAM)、
以及
f)
从直方图统计信息
(Histogram)
获取主动光返回时间的算法电路
(DSP)。
此外
CMOS SPAD
传感器还可以包括用于控制主动激光脉冲如何发射
、TDC
如何工作等内部逻辑控制模块
、
以及一些配套电路
(
供电电路
、PLL、
电荷泵
(Chargepump)
等等
)。

技术实现思路

[0004]技术问题
[0005]传统的
Lidar
系统如今面临的主要问题如下：
1)Lidar
系统，特别是车载
Lidar
系统需要应对室外背景光噪声大，目标物体反射率高等复杂场景的问题，如阳光直射
、
柏油马路
、
建筑玻璃
、
路面积雪
、
高反广告牌等这些应用场景都要求
Lidar
系统兼顾强阳光噪声抑制能力
、
高动态范围
(Dynamic range/high detected photon rate)
；
2)
为保证角度分辨率，
SPOT Lidar
的扫描速率要求极高，检测速率
(Detection Rate)
需要达到
10kHz
级别，然而直方图统计信息
Histogram
的累计周期
(
主动光打光周期
)
只有几十次；
3)SPAD
单元尺寸约束是限制
COMOS DTOF Lidar
发展的另一个瓶颈
。
[0006]为了解决上述问题，在
SPAD Lidar
传感器中引入通道共享
(Channel Sharing)
和重合检测
(Coincidence detection)
电路
。
一方面，通过组合网络
(Combine Network)
将
SPAD
组合成宏像素
(Macro Pixel)
，其可以增强单像素的灵敏度，减少打光次数；同时，在宏像素内所有的
SPAD
复用阵列的
TDC
并且共享
Memory
资源，其可以有效的降低
SPAD
传感器面积，降低器件峰值功耗
。
另一方面，通过重合检测电路的技术方案，可极大地提高器件信噪比
、
抑制太阳光噪声
。
[0007]当前，为了制造
CMOS SPAD DTOF
传感器，通常将芯片架构大致分成单层晶圆和双层晶圆的两种结构
。
[0008]图2是示出了目前单层晶圆的
SPAD
传感器的制作方法和系统架构的示意图
。
[0009]参考图2，
SPAD
传感器中所有的电路都制作在单片
(
单层
)
晶圆上，其包含：
SPAD
单元以及与
SPAD
单元配套的淬熄
/
充电电路
、
重合网络电路
、
重合控制器电路
、
条带宽度可调的单
/
多通道时间数字转换器
(Single/Multi
‑
Channel TDC)、
存储
SPAD
雪崩信息的存储器
(
通常是
SRAM)、
以及从直方图统计信息
(Histogram)
获取主动光返回时间的算法电路，此外在该单片
(
单层
)
晶圆上还可以配置用于控制主动激光脉冲如何发射
、TDC
如何工作等内部逻辑控制模块
、
以及一些配套电路
(
供电电路
、PLL、
电荷泵等等
)。
[0010]基于上述单层结构的
FSI
的架构，每一个
SPAD
单元必须配套相应的淬熄电路，所以在
SPAD
阵列区域内，一部分面积被淬熄电路占据，造成填充因子无法最大化
(SPAD
单元占整个像素区的面积比例
)
，同时，这个问题也造成
SPAD
像素没有办法做的很小本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种用于激光雷达传感器的背景光噪声抑制电路，包括：组合逻辑电路，被配置为接收宏像素中的具备空间相关性的单光子雪崩二极管
SPAD
单元的触发输入，并且生成使得所述
SPAD
单元中的任意1个
SPAD
单元的触发产生一次有效事件的第一输出，以及生成使得所述的任意两个相邻的
SPAD
单元的触发产生一次有效事件的第二输出，以及重合检测电路，被配置为根据所述组合逻辑电路的第一输出和第二输出产生直方图统计数据
。2.
根据权利要求1所述的背景光噪声抑制电路，其中，宏像素中包括
2x2SPAD
单元
。3.
根据权利要求1所述的背景光噪声抑制电路，其中，所述重合检测电路被配置为分别利用权重因子
N1
和
N2
对所述第一输出和所述第二输出进行加权，来产生直方图统计数据
。4.
根据权利要求3所述的背景光噪声抑制电路，其中，所述重合检测电路包括多通道
TDC
或者单通道
TDC。5.
根据权利要求2所述的背景光噪声抑制电路，其中，所述组合逻辑电路包括半加器1‑
3、
或门1‑
3、
以及延时器1‑2，其中，宏像素中的第一
SPAD
单元和第二
SPAD
单元的触发输入分别输入到半加器1的两个输入端，并且半加器1的
S
输出连接到半加器3的输入端，并且半加器1的
C
输出连接到或门1的输入端；宏像素中的第三
SPAD
单元和第四
SPAD
单元的触发输入分别输入到半加器2的两个输入端，半加器2的
S
输出连接到半加器3的输入端，并且半加器2的
C
输出连接到或门1的输入端；半加器3的
S
输出连接到延时器1，并且半加器3的
C
输出连接到或门2的输入端；或门2将半加器3的
C
输出和或门1的输出进行或运算之后输出到延时器2的输入端和或门3的输入端；或门3接收延时器1和或门2的输入，并且将输出作为所述第一输出提供给所述重合检测电路；以及延时器2将从或门2输入的信号作为所述第二输出提供给所述重合检测电路
。6.
根据权利要求2所述的背景光噪声抑制电路，其中，所述组合逻辑电路包括与非门1‑
4、
或非门1‑
4、
以及反相器，其中，宏像素中的第一
SPAD
单元和第二
SPAD
单元的触发输入分别输入到与非门1和或非门1的输入端；宏像素中的第三
SPAD
单元和第四
SPAD
单元的触发输入分别输入到与非门2和或非门2的输入端；与非门3将从与非门1和与非门2的输入输出到或非门4；或非门3将从或非门1和或非门2的输入输出到或非门4；或非门4将输出作为所述第二输出提供给所述重合检测电路；以及与非门4将或非门1和或非门2的输入输出到反相器，并且反相器将输出作为所述第一输出提供给所述重合检测电路
。7.
根据权利要求1所述的背景光噪声抑制电路，其中，宏像素中包括
2mx2m
个
SPAD
单元，其中，
m
为大于1的自然数
。8.

【专利技术属性】
技术研发人员：李强，杨骁，史斌，
申请(专利权)人：世瞳上海微电子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：