近几年来,随着光电感知技术和人工智能的蓬勃发展,激光雷达（Lidar）技术在工业制造、智能交通、安防探测以及消费类电子等领域的应用更加广泛。苹果公司搭载的激光雷达传感器更是进一步将光电探测成像技术引入了消费者领域。随着工业领域及小型化电子对目标探测的要求日益提升,光电探测器在满足可以对待测场景进行深度信息成像的基础上,还需要具备其他模式以实现对场景更为细致和精确地探测或建模,比如灰度信息成像和动目标检测成像,灰度信息成像可以作为深度信息成像的补充,实现对被测物体的光线反射率进行探测,而动目标检测成像可以实时检测待测场景中物体的运动轨迹。本文主要研究了激光雷达系统接收端的芯片化技术及其多模式的实现。首先本文对激光雷达系统的关键模块进行MATLAB建模,包括光学系统功率模型,SPAD模型和TDC模型,然后对像素单元电路进行深入研究,设计了一款结构紧凑,填充因子高的像素电路,并且设计了一款16对伪差分对组成的TDC电路并完成了版图绘制及后仿真;本文基于MATLAB对锁相环电路进行建模,设计了一款片上锁相环以克服PVT变化对TDC阵列一致性带来的影响;最后,本文设计了一种窗口宽度可控的数字列选电路,并且完成了测距模式、动目标检测模式和灰度成像模式的数字电路功能设计。本文基于55nmCMOS工艺,实现了一款脉冲式直接飞行时间激光雷达芯片。该激光雷达芯片由320 × 240个像素单元,480个TDC电路,1个全局锁相环,窗口宽度可控的数字列选电路,测距模式、动目标检测模式和灰度成像模式的数字电路与读出电路构成。为了提高芯片帧率,将320 × 240像素分为2 × 160 × 240像素单元以增加芯片内部数据的处理速度。其中一行240个单元像素复用1个TDC;芯片曝光方式采用帘卷曝光,列选电路基于数字电路实现曝光时间可控,由于320 × 240的像素可满足QVGA格式的视频分辨率,该激光雷达芯片的输出可直接在QVGA屏幕上成像。该芯片具有PW/DNW结构的SPAD,填充率为8.9%,拟实现在60m范围内,分辨率小于60ps的深度探测。PLL的带宽为10MHz,分频范围2～16、相位裕度为75°,Jitter为36.6ps。该激光雷达芯片具有深度成像,灰度成像,和动目标检测三种模式,并且在深度信息成像模式下以100子帧融合成一帧画面,能够实现大于30fps的成像帧率。数字输出采用PISO方式（200MHz）,整体版图面积为:4351μm× 3025μm。