Abstract In this thesis integrated receiver channel techniques and circuit implementations for a pulsed time-of-flight (TOF) laser rangefinder are developed with the aim to achieve centimetre level accuracy within the dynamic range of > 1:10 000 of the input pulse amplitudes. The receiver channel converts the input current pulses produced by the photo detector to voltage pulses and produces a logic-level timing pulse for the time interval measurement. In addition to the minimization of noise, the main design challenge is the minimization of the timing walk error resulting from the varying amplitude of the received optical echo. In automotive perception laser radar application, which was the target application of this work, the input amplitude of the received echo varies in a range of 1:10 000 or even more due to changes in the measured distance and reflectivity and orientation of the target. Two receiver channel and timing discriminator architectures were developed and realized as integrated circuits in 0.35 μm BiCMOS technology, and finally verified by measurements. One of the receiver channels is based on the detection of the zero-crossing of the timing pulse produced with a unipolar-to-bipolar conversion at the input of the receiver. It achieved a timing walk error of ±8 mm in a dynamic range of 1:3000. Another receiver channel is based on the leading edge timing discrimination, in which the timing walk error is being compensated for in time domain by measuring the width of the timing pulse simultaneously with its leading edge time position. An important feature of this technique, suggested in this thesis, is that it is operative also beyond the linear range of the receiver channel, which is typically limited to < 1:100. The receiver channel with leading edge detection and pulse width compensation achieved a compensated walk error of ± 2–3 mm in a dynamic range of ~ 1:100 000. The bandwidth and input referred current noise of the channel were 230 MHz and <100 nArms, respectively. The single-shot timing precision was 120 ps (20 mm in distance) at the SNR of 10. The feasibility of the receiver electronics was verified by two laser radar prototypes. An accuracy of < ± 5 mm was measured in a measurement range from 1 to 55 m, which corresponds to the receiver dynamic range of > 1:10 000 taking into consideration the varying reflectivity of the target materials used. / Tiivistelmä Väitöskirjatyössä on suunniteltu integroituja vastaanotintekniikoita ja –piirejä valopulssin kulkuaikamittaustekniikkaan perustuvaan laseretäisyysmittaukseen. Tavoitteena on ollut saavuttaa senttimetriluokan tarkkuus laajalla tulopulssin amplitudin dynaamisella alueella > 1:10 000. Vastaanotinkanava muuntaa valoilmaisimelta saadun tulovirtapulssin jännitepulssiksi ja muodostaa siitä logiikkatasoisen ajoituspulssin aikavälimittauspiirille. Kohinan minimoimisen lisäksi toinen suuri suunnitteluhaaste on minimoida ajoitusvirhe, jota syntyy vastaanotetun optisen tulosignaalin amplitudin vaihdellessa laajalla alueella. Työssä kehitettyjen vastaanotinkanavien yksi sovelluskohdetavoitteista on ollut autoteollisuudessa käytettävät etäisyysmittarit. Näissä tulosignaalin taso vaihtelee erittäin laajalla dynaamisella alueella, joka voi olla > 1:10 000, johtuen laajasta etäisyysmittausalueesta sekä kohteen heijastavuuden ja orientaation vaihteluista. Väitöskirjatyössä kehitettiin ja valmistettiin kaksi vastaanotin- ja ajoitusilmaisurakennetta. Piirit valmistettiin 0,35 μm BiCMOS- teknologialla, ja niiden toiminta varmistettiin mittauksilla. Ensimmäinen vastaanotinkanava-arkkitehtuuri perustuu kanavan tulossa tapahtuvaan unipolaari-bipolaari muutokseen ja sen jälkeiseen nollaylityskohdan ilmaisuun. Piirillä saavutettiin ±8 mm ajoitusvirhe 1:3000 dynaamisella alueella. Toinen vastaanotinkanava-arkkitehtuuri perustuu etureunanilmaisuun, jossa ajoitusvirhe korjataan aikatasossa mittaamalla samanaikaisesti ajoituspulssin paikka ja leveys. Ajoitusvirheenkorjausmenetelmän tärkeä ominaisuus on, että se toimii laajemmalla kuin vastaanottimen lineaarisella alueella (< 1:100). Etureunanilmaisuun ja pulssinleveyden korjaukseen perustuvalla vastaanotinkanavalla saavutettiin korjattu ajoitusvirhe ± 2–3 mm 1:100 000 dynaamisella alueella. Kanavan kaistanleveys oli 230 MHz ja tulon redusoitu virtakohina < 100 nArms. Signaalikohinasuhteella 10 laseretäisyysmittauksen kertamittaustarkkuudeksi mitattiin 120 ps (20 mm etäisyydessä). Väitöskirjatyön yhteydessä valmistettiin lisäksi kaksi prototyyppilasertutkaa, joilla varmistettiin vastaanotinelektroniikan toiminta laajalla > 1:10 000 dynaamisella tulopulssin amplitudin vaihtelualueella. Lasertutkan ajoitusvirheeksi mitattiin < ± 5 mm 1–55 m:n mittausalueella.

Abstract The main aim of this work was to design CMOS receiver channels for the integrated receiver chip of a pulsed time-of-flight (TOF) laser rangefinder. The chip includes both the receiver channel and the time-to-digital converter (TDC) in a single die, thus increasing the level of integration of the system, with the corresponding advantages of a cheaper price and lower power consumption, for example. Receiver channels with both linear and leading edge timing discriminator schemes were investigated. In general the receiver channel consists of a preamplifier, a postamplifier and a timing comparator. Since a large systematic timing error may occur due to high variation in the amplitude of the received echo, a leading edge timing discriminator scheme with time domain walk error compensation is proposed here, making use of the TDC already available in the chip to measure the slew rate of the pulse and using that information to evaluate the timing error. This compensation scheme benefits from the fact that compensation can be continued even though the signal is clipped in the amplitude domain, because the slew rate continues to increase even then. The receiver channel with leading edge detection and time domain walk error compensation achieved a compensated timing walk error of ±4.5 mm within a dynamic range of more than 1:10000. The standard deviation in single shot precision was less than 25 mm with an SNR of more than 20. The usability of the receiver channel in pulsed TOF laser rangefinders was verified by making actual time-of-flight measurements on a calibrated measurement track. The linearity of the receiver chip was better than ±5 mm in a measurement range from 3 m to 21 m, with the dynamic range of the receiver channel reaching more than 1:2000. An integrated CMOS laser diode pulser was also demonstrated to prove its functionality for generating ampere-scale peak current pulses through a low ohmic load and a laser diode. The CMOS pulser achieved a peak current pulse with the amplitude of ~1 A, an optical pulse width of ~2.5 ns and a rise time of ~1 ns with a 5 V power supply. / Tiivistelmä Työn ensisijaisena tavoitteena oli suunnitella CMOS-vastaanottimia valopulssin kulkuajan mittaukseen perustuvan lasertutkan integroituun vastaanotinpiiriin. Vastaanotinpiiri sisältää sekä vastaanotinkanavan että aika-digitaalimuuntimen yhdellä integroidulla sirulla. Tällöin systeemin integrointiastetta saadaan kasvatettua, mikä merkitsee esimerkiksi halvempaa hintaa ja pienempää tehon kulutusta. Työssä on tutkittu vastaanotinkanavia, jotka käyttävät joko lineaariseen ilmaisuun tai etureunailmaisuun perustuvaa ajoitusilmaisutekniikkaa. Yleisesti vastaanotinkanava sisältää esivahvistimen, jälkivahvistimen ja ajoituskomparaattorin. Vastaanotetun signaalin tason voimakas vaihtelu saattaa aiheuttaa suuren systemaattisen virheen etureunailmaisuun perustuvassa ajoitusilmaisussa. Tässä työssä on esitetty etureunailmaisua käyttävä ajoitusilmaisin, jossa syntyvää ajoitusvirhettä voidaan korjata mittaamalla pulssin nousunopeutta aika-digitaalimuuntimella, joka on integroitu samalle sirulle. Aikatasossa tapahtuvan virheenkorjauksen etuna on mahdollisuus jatkaa virheenkorjausta amplituditasossa tapahtuvan signaalin leikkautumisen jälkeenkin, koska signaalin nousunopeus kasvaa leikkaantumisesta huolimatta. Etureunailmaisua käyttävällä vastaanotinkanavalla, jossa ajoitusvirhettä korjattiin pulssin nousunopeutta mittaamalla, saavutettiin ±4,5 mm ajoitusvirhe 1:10000 dynaamisella alueella. Kertamittaustarkkuuden keskihajonta oli vähemmän kuin 25 mm, kun signaalikohinasuhde oli enemmän kuin 20. Vastaanotinkanavan käytettävyys osana lasertutkaa todettiin tekemällä tutkamittauksia kalibroidulla mittaradalla. Mittauksissa saavutettu lineaarisuus oli ±5 mm mittausalueen vaihdellessa 3 metristä 21 metriin ja signaalin dynamiikan ollessa enemmän kuin 1:2000. Lisäksi työssä esitellään integroitu CMOS-pulssitin, joka pystyy tuottamaan ampeeri-luokan virtapulsseja laserdiodiin. CMOS-pulssittimella voitiin tuottaa 5 V käyttöjännitteellä ~1 A virtapulsseja optisen pulssin leveyden ja nousuajan ollessa ~2,5 ns ja ~1 ns.