【摘 要】
：
作为三维（3-Dimensions,3D）成像应用的主流技术之一,基于单光子雪崩光电二极管探测器（Single Photon Avalanche Detector,SPAD）和光子飞行时间（Time-of-Flight,TOF）测量的TOF测距成像技术,因其作用距离远、抗背景光干扰能力强、精度高等优点,在诸如高级驾驶辅助系统（Advanced Driving Assistance System,A
【基金项目】
：
东南大学与国内某研究所合作完成的项目：基于SPAD-TDC阵列的数字计时读出电路设计；
论文部分内容阅读
作为三维（3-Dimensions,3D）成像应用的主流技术之一,基于单光子雪崩光电二极管探测器（Single Photon Avalanche Detector,SPAD）和光子飞行时间（Time-of-Flight,TOF）测量的TOF测距成像技术,因其作用距离远、抗背景光干扰能力强、精度高等优点,在诸如高级驾驶辅助系统（Advanced Driving Assistance System,ADAS）、激光雷达、人脸识别等尖端应用领域中都起到关键作用。本文基于泛光激光雷达等应用对宽动态范围目标的高精度低功耗追踪检测需求,主要针对适用于长距检测的直接TOF（Direct TOF,DTOF）测距成像技术领域进行研究。基于时间数字转换器（Timeto-Digital Converter,TDC）的数字计时读出电路（Readout Integrated Circuit,ROIC）作为DTOF测距成像系统的核心模块,承担着产生和读出像素TOF编码数据的重要功能,其性能直接影响系统最终的成像质量。目前,DTOF测距成像技术相对其它主流3D成像技术的主要劣势之一是像素阵列规模小,导致成像后图像在X-Y轴方向的像素少,空间分辨率低,常需要借助扫描设备来扩展空间分辨率,而过高的ROIC系统功耗作为限制像素规模扩展的一个主要因素亟待解决。为满足宽动态范围低功耗实时检测的ROIC设计要求,本文基于被测目标最小距离通常远远大于被测目标最大景深这一典型应用场景,在经典ROIC的基础上,提出了一种距离与景深分离的分步式TOF量化方法,并完成一种基于双模切换的新型低功耗数字计时ROIC的系统设计。新型低功耗ROIC可根据当前数据采集帧内被测目标距离的远近,自适应地切换下一帧ROIC的TOF量化模式,即可切换ROIC工作在经典的单帧量化模式下或本文提出的双帧复用量化模式下。无论哪种TOF量化模式下,像素内阵列TDC的工作时间均较短,平均TOF量化功耗得以大幅降低,同时阵列TDC的数据转换位数得以减小,数据传输压力也同步降低,此外还消除了像素面积对ROIC计时量程的限制,提高了应用灵活性。相对经典ROIC,本文的新型低功耗ROIC限定了被测目标的最大可测景深,同时略微增加了数据处理的难度,但却换来了系统平均功耗、数据读出压力和像素面积要求的同步下降,整体性能得以大幅提升,且检测距离要求越高,本文低功耗ROIC的能效就越高。在TSMC 0.18μm 1P6M CMOS工艺条件下,完成了本文提出的新型低功耗ROIC的原理图和版图设计、以及前后仿验证和MPW流片等工作,最终的系统物理版图总面积为5231μm×5221μm。仿真结果表明,在1.8/5V电源电压、-40℃工作温度（SPAD限制）、tt工艺角、50μm×50μm单像素面积、20k Hz数据采集帧频、250MHz四路高频分相量化参考时钟HCK1～HCK4和50MHz数据读出时钟LCK驱动的条件下,本文所设计的ROIC可获得500ps的时间分辨率、5μs的计时量程和约35m W的满量程单帧平均功耗,实现750m的最大可测距离和约1.5m的最大可测景深。常温测试时,本文低功耗ROIC的单帧平均功耗约60m W,与仿真结果较吻合。
其他文献
为了缓解日益严重的“功耗墙”和“存储墙”问题,现代高性能处理器开始广泛采用具有多层级Cache的多核体系架构。但是这一架构的复杂性使得其共享Cache的解析建模极为复杂:首先,不同核之间竞争共享Cache的容量资源,并且任务间数据共享会使情况更加复杂;第二,每个核的私有Cache不仅会过滤一部分来自CPU的访存请求,由于多核一致性问题还导致出现难以预料的私有Cache一致性缺失。本文提出了一种可以
目的肥胖及肥胖相关的炎症在促进肿瘤发生发展中扮演着重要作用,近年来,乳腺白色脂肪组织（WAT）的慢性炎症引起了广泛关注。本研究旨在探讨乳腺癌患者WAT炎症与超重或肥胖、更年期状态、肿瘤特征、代谢综合征相关因子之间的关系,以及脂肪细胞直径与WAT炎症严重程度和身体质量指数（BMI）之间的相关性。方法乳腺脂肪组织中巨噬细胞包绕垂死或死亡的脂肪细胞形成的冠状结构（CLS-B）被认为是乳腺WAT炎症的标志
近年来,无刷直流电机无位置传感器控制凭借其诸多优点,在生活、生产中的应用越来越广泛。在诸如电动工具的生产领域,存在着无刷直流电机无位置传感器控制下无反转、快速、平滑起动的实际需求,电感法起动凭借着其能闭环起动运行的特点,被广泛应用于该场景下的起动控制,然而传统电感法起动存在着定位时间长的缺点,影响了电机的起动时间和加速性能。因此,为了获得更好的起动控制效果,更满足实际生产需求,优化设计电感法起动控
多输入多输出（Multiple Input Multiple Output,MIMO）与正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM）技术的结合提高了数据传输速率和系统容量。而MIMO-OFDM系统的高性能信号检测算法复杂度高,实际应用中,面积优化的信号检测设计才具有工程实用价值。本文首先对2×2MIMO系统的信号检测算法建模分析,并
随着工艺发展和SRAM集成度的提高,随机工艺波动引起的SRAM良率问题日渐突出。常用的蒙特卡洛方法（Monte Carlo,MC）评估良率时需要仿真大量样本,比较耗时。另一方面,电路的多失效机制或自身结构会造成失效样本存在于多个失效域中,使现有的加速MC的良率评估方法不够准确。在多失效域场景下快速而准确地得到SRAM的良率是一个挑战。论文从自适应重要性采样（Adaptive Importance
自古以来天气与人们的生活息息相关,随着科技的快速发展,自动气象站的出现极大地帮助了人们的数据采集工作,增强了人们对气象的感知能力。然而,目前的自动气象站较多使用RS-485或CAN总线的有线传输方式,对于无线传输方式的研究较少,本文将结合无线通信模块和云技术实现气象数据的无线传输功能以及设备的远程在线升级功能。本文在嵌入式技术的基础上,设计了一套使用无线通信技术以及MEMS传感器的气象数据采集与传
随着电路集成度的提升,“黄金标准”蒙特卡洛仿真的耗时越来越不可接受,统计静态时序分析方法（Statistical Static Timing Analysis,SSTA）可以加速电路时序分析。但是在低电压下,工艺参数波动导致电路延时呈现非高斯分布,传统的SSTA模型（比如偏正态模型（Skew Normal model,SN））估计的延时分布误差变大。因此,论文研究在低电压下考虑工艺波动参数的影响,
物联网节点为了降低功耗,在芯片中引入动态电压频率调节（Dynamic Voltage Frequency Scaling,DVFS）技术,在满足芯片不同状态下性能需求的同时降低功耗。在物联网芯片中实现DVFS技术面临很多挑战,传统的振荡器结构在DVFS应用中有着频率切换时间长、启动速度慢等缺点。为了提高启动与频率切换速度、减少工艺、电压、温度对频率的影响,本文设计了一种基于数字分频选相的低功耗数控
相比于通用处理架构与专用处理架构,粗粒度可重构架构（Coarse-Grained Reconfigurable Architecture,CGRA）因兼具高能效和高灵活性而有着独特的优势。然而CGRA因数据流驱动的特性无法高效甚至有效处理应用中存在的控制流结构。基于触发指令的执行方案（Triggered Instruction Architecture,TIA）作为一种比较全面的控制流处理方案,虽
基于可见光的室内定位（Visible Light Positioning,VLP）由于精确度高、成本低的优点,越来越受研究关注。VLP通常使用光电二极管（Photodiode,PD）或图像传感器作为接收器,后者抵抗环境光干扰能力更强,在手机上广泛配置。图像传感器通常需要至少同时拍摄到三个光源,才能使用传统三角定位方法,但在实际场景中通常难以满足,因此越来越多的研究者关注单个LED灯的定位。单个LE