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.

Abstract The aim of this thesis was to develop time-to-digital converters (TDC) for the integrated receiver of a pulsed time-of-flight (TOF) laser rangefinder aiming at cm-level accuracy over an input range of 10 m – 15 m. A simple structure, a high integration level and low power consumption are the desired features for such a TDC. From the pulsed TOF laser rangefinder point of view an integrated receiver consisting of both the TDC and the receiver channel on the same die offers the possibility of manufacturing these laser rangefinders with a high integration level and at a low price to fulfil the needs of mass industrial markets. The heart of the TDC is a CMOS ring oscillator, the clock frequency of which is used to calculate the full clock cycles between timing signals, the positions of the timing signals inside the clock period being determined by storing the state of the phase of the ring oscillator for each timing signal. This will improve the resolution of the TDC. Also, additional delay lines are used to generate multiple timing signals, each having a time difference of a fraction of that of the ring oscillator. This will further improve the resolution of the whole TDC. To achieve stable results regardless of temperature and supply voltage variations, the TDC is locked to an on-chip reference voltage, or the resolution of the TDC is calibrated before the actual time interval measurement. The systematic walk error in the receiver channel caused by amplitude variation in the received pulse is compensated for by the TDC measuring the slew rate of the received pulse. This time domain compensation method is not affected by the low supply voltage range of modern CMOS technologies. Three TDC prototypes were tested. A single-shot precision standard deviation of 16 ps (2.4 mm) and a power consumption of 5.3 mW/channel were achieved at best over an input range of 100 ns (15 m). The temperature drifts of an on-chip voltage reference-locked TDC and a TDC based on the calibration method were 90 ppm/°C and 0.27 ps/°C, respectively. The results also showed that a pulsed TOF laser rangefinder with cm-level accuracy over a 0 – 15 m input range can be realized using the integrated receiver with the time domain walk error compensation described here. / Tiivistelmä Väitöskirjatyön tavoitteena oli kehittää aika-digitaalimuunninrakenteita valopulssin kulkuajan mittaukseen perustuvan lasertutkan integroituun vastaanottimeen. Tavoitteena oli saavuttaa senttimetriluokan tarkkuus 10 m – 15 m mittausalueella koko lasertutkan osalta. Aika-digitaalimuuntimelta vaaditaan yksinkertaista rakennetta, korkeaa integroimisastetta ja matalaa tehonkulutusta. Integroitu vastaanotin sisältää sekä aika-digitaalimuuntimen että vastaanotinkanavan ja tarjoaa mahdollisuuden korkeasti integroidun lasertutkan valmistukseen halvalla teollisuuden massamarkkinoiden tarpeisiin. Aika-digitaalimuuntimen ytimenä toimii monivaiheinen CMOS-rengasoskillaattori. Aika-digitaalimuunnos perustuu rengasoskillaattorin täysien kellojaksojen laskentaan laskurilla ajoitussignaalien välillä. Lisäksi rengasoskillaatorin jokaisesta vaiheesta otetaan näyte ajoitussignaaleilla niiden paikkojen määrittämiseksi kellojakson sisällä, jolloin aika-digitaalimuuntimen erottelutarkkuutta saadaan parannettua. Erottelutarkkuutta parannetaan lisää viivästämällä ajoitussignaaleja viive-elementeillä ja muodostamalla näin useita erillisiä ajoitussignaaleja, joiden väliset viive-erot ovat murto-osa rengasoskillaattorin viive-elementin viiveestä. Aika-digitaalimuunnin stabiloidaan käyttöjännite- ja lämpötilavaihteluja vastaan lukitsemalla se integroidun piirin sisäiseen jännitereferenssiin, tai sen erottelutarkkuus määritetään ennen varsinaista aikavälinmittausta erillisellä kalibrointimittauksella. Vastaanotetun valopulssin amplitudivaihtelun aiheuttama systemaattinen ajoitusvirhe integroidussa vastaanotinkanavassa kompensoidaan mittaamalla vastaanotetun valopulssin nousunopeus aika-digitaalimuuntimella. Tällainen aikatasoon perustuva kompensointimetodi on myös suorituskykyinen nykyisissä matalakäyttöjännitteisissä CMOS-teknologioissa. Työssä valmistettiin ja testattiin kolme aika-digitaalimuunninprototyyppiä. Muuntimien kertamittaustarkkuuden keskihajonta oli parhaimmillaan 16 ps (2,4 mm) ja tehonkulutus alle 5,3 mW/kanava mittausetäisyyden olessa alle 100 ns (15 m). Sisäiseen jännitereferenssiin lukitun aika-digitaalimuuntimen lämpötilariippuvuudeksi mitattiin 90 ppm/°C ja kalibrointimenetelmällä saavutettiin 0,27 ps/°C lämpötilariipuvuus. Työssä saavutetut tulokset osoittavat lisäksi, että valopulssin kulkuajan mittaukseen perustuvalla lasertutkalla on saavutettavissa senttimetriluokan tarkkuus 0 – 15 m mittausalueella käyttämällä tässä työssä esitettyä integroitua vastaanotinta ja aikatason ajoitusvirhekompensointia.

Abstract In this thesis, a new type of laser diode transmitter using enhanced gain-switching suitable for use with a single photon avalanche diode (SPAD) detector was developed and tested in the pulsed time-of-flight laser range finding (lidar) application. Several laser diode versions were tested and the driving electronics were developed. The driving electronics improvements enabled a pulsing frequency of up to 1 MHz, while the maximum laser output power was about 5–40 W depending on the laser diode dimensions. The large output power is advantageous especially in conditions of strong photon noise emerging from ambient light outdoors. The length of the laser pulse matches the jitter of a typical SPAD detector providing several advantages. The new laser pulser structure enables a compact rangefinder for 50 m distance measurement outdoors in sunny conditions with sub-centimeter precision (σ-value) at a valid distance measurement rate of more than 10 kHz, for example. Single photon range finding techniques were also shown to enable a char bed level measurement of a recovery boiler containing highly attenuating and dispersing flue gas. In addition, gated single photon detector techniques were shown to provide a rejection of fluorescent photons in a Raman spectroscope leading to a greatly improved signal-to-noise ratio. Photonic effects were also studied in the case of a pulsed time-of-flight laser rangefinder utilizing a linear photodetector. It was shown that signal photon noise has an effect on the optimum detector configuration, and that pulse detection jitter can be minimized with an appropriate timing discriminator. / Tiivistelmä Tässä työssä kehitettiin uudentyyppinen, tehostettua "gain-switchingiä" hyödyntävä laserdiodilähetin käytettäväksi yksittäisten fotonien avalanche-ilmaisimien (SPAD) kanssa, ja sitä testattiin pulssin lentoaikaan perustuvassa laseretäisyysmittaussovelluksessa. Useita laserdiodiversioita testattiin ja ohjauselektroniikkaa kehitettiin. Ohjauselektroniikan parannukset mahdollistivat jopa 1 MHz pulssitustaajuuden, kun taas laserin maksimiteho oli noin 5–40 W riippuen laserdiodin dimensioista. Suuri lähtöteho on edullinen varsinkin vahvoissa taustafotoniolosuhteissa ulkona. Laserpulssin pituus vastaa tyypillisen SPAD-ilmaisimen jitteriä tarjoten useita etuja. Uusi laserpulssitinrakenne mahdollistaa esimerkiksi kompaktin etäisyysmittarin 50 m mittausetäisyydelle ulkona aurinkoisessa olosuhteessa mm–cm -mittaustarkkuudella (σ-arvo) yli 10 kHz mittaustahdilla. Yksittäisten fotonien lentoaikamittaustekniikan osoitettiin myös mahdollistavan soodakattilan keon korkeuden mittauksen, jossa on voimakkaasti vaimentavaa ja dispersoivaa savukaasua. Lisäksi portitetun yksittäisten fotonien ilmaisutekniikan osoitettiin hylkäävän fluoresenssin synnyttämiä fotoneita Raman-spektroskoopissa, joka johtaa selvästi parempaan signaali-kohinasuhteeseen. Fotoni-ilmiöitä tutkittiin myös lineaarista valoilmaisinta hyödyntävän pulssin kulkuaikamittaukseen perustuvan lasertutkan tapauksessa. Osoitettiin, että signaalin fotonikohina vaikuttaa optimaaliseen ilmaisinkonfiguraatioon, ja että pulssin ilmaisujitteri voidaan minimoida sopivalla ajoitusdiskriminaattorilla.