激光雷达是一种通过探测目标的散射光特性来获取目标相关信息的雷达系统。与微波雷达相比,激光雷达具有分辨率高、抗有源干扰能力强、体积小质量轻等优点,被广泛运用于机器人、自动驾驶、无人机、气象研究、城市三维建模、大气环境监测等领域。随着物联网和人工智能技术的兴起,激光雷达在民用消费级市场方面发展迅速,尤其是自动驾驶领域,使得激光雷达成为研究自动驾驶的核心技术之一。国内在激光测距以及激光雷达方面的研究相对较晚,特别是全集成的激光雷达前端芯片,且国内外大都采用分立的量化器件,不利于系统的集成化。因此,论文将重点研究激光雷达前端电路复用的原理、架构及电路实现。论文首先阐述了脉冲式激光雷达的分类、基本工作原理和时间域模数转换器(ADC)的优势,然后分析了目前传统电压时间转换器(VTC)和电压时间转换器(TDC)结构的优缺点,引出了对高线性度VTC的需求,接着对前端芯片关键模块进行了详细的理论分析,采用横比定时鉴别法减小了系统的行走误差,最后从信号的传递和处理角度分析了系统中存在的噪声以及非理想效应,并给出了对应的解决方案。针对自动驾驶所需,论文完成了激光雷达前端电路复用的原理、架构及电路实现。(1)提出了一种激光雷达系统新架构,实现高分辨率以及较强的背景光抑制能力的同时,减少了跨阻放大器(TIA)和雪崩光电二极管(APD)的消耗。(2)采用了 TDC/ADC复用技术,通过脉冲式激光雷达的原理与工作时序分析复用的可行性,实现了 TDC电路复用,降低了量化系统的整体功耗,提高了雷达系统的稳定性与可靠性。(3)设计了一种低噪声低功耗的跨阻放大器,采用三级反相器结构以及双电源供电,在实现低功耗、保证输出摆幅的情况下达到了取得了 1.2pA/(?)的平均输入参考噪声电流密度。(4)提出了一种高线性度电压时间转换器,基于采样与恒流源充电的原理实现高线性度。仿真结果表明±600mV差分输入范围内该VTC的SFDR达到68dB,即使考虑PVT影响,SFDR可以达到59dB,鲁棒性较强。(5)设计了一款高精度时间数字转换器,采用基于环振的伪差分结构以及内插技术,实现了 6.25ps的时间精度,探测精度可达毫米级别;此外,该TDC具有天然的动态元件匹配特性,减小了元件失配带来的影响,提高了 TDC的线性度。本设计的多通道激光雷达前端芯片采用TSMC 65nm 1P9M标准CMOS工艺制造,包括ADC和八通道TIA,整个芯片面积为1.4×0.8mm2,芯片功耗为29.28mW。测试结果表明,TIA可以实现82dBQ和47dBQ的高低增益,对应的输入参考噪声分别为41.9pA/(?)和2.5pA/(?),动态范围可达80dB;在500MS/s的采样速率下,ADC在整个奈奎斯特带内可达到47dB的SNDR和56dB的SFDR;在70klux太阳光强和6.16mW平均激光发射功率下,系统探测距离达到60米,探测误差小于0.1%。