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 goal of this work was to develop a CMOS receiver for a time-of-flight (TOF) laser rangefinder utilizing sub-ns pulses produced by a laser diode operating in gain switching mode (~ 1 nJ transmitter energy). This thesis also discusses the optical detector components and their usability with sub-ns optical pulses in laser rangefinding and the effect of the laser driver electronics on the shape of the sub-ns laser output, and eventually on the timing walk error of the laser rangefinder. The thesis presents the design of an integrated receiver channel IC intended for use in the pulsed TOF rangefinder. This is realized in a low-cost and consumer electronics-friendly CMOS technology (0.18 μm) and is based on a linear receiver and leading edge time discrimination. The measured walk error of the receiver is ~ 500 ps (4.5 cm in distance) within a 1:21,000 dynamic range. The measured jitter of the leading edge, affecting the single-shot precision of the radar, was ~ 12 ps (1.6 mm in distance) at an SNR > 200. In addition, a pulsed TOF rangefinder using the receiver IC developed here was designed and used for demonstrating the possibility of measuring tiny vibrations in a distant non-cooperative target. The radar was used successfully to observe 10 Hz vibrations in a non-cooperative target with an amplitude of 1.5 mm (sub-mm precision after averaging) at a distance of ~ 2 m. One important result was the demonstration of a difference in walk error behaviour between MOSFET and avalanche BJT-based laser pulse transmitters. The practicability of an integrated CMOS AP detector in sub-ns laser rangefinding was also studied. / Tiivistelmä Työn tavoitteena oli kehittää CMOS-vastaanotin valon kulkuaikamittaukseen perustuvaan laseretäisyysmittariin, joka hyödyntää ”gain-switching”-tekniikalla toimivan laserdiodin (~ 1 nJ energia) tuottamia alle nanosekuntiluokan laserpulsseja. Väitöskirja tutkii myös valovastaanotinkomponenttien käyttökelpoisuutta alle nanosekuntiluokan laserpulsseja hyödyntävässä laseretäisyysmittauksessa. Työssä tutkitaan myös laserdiodilähettimen elektroniikan vaikutusta alle nanosekuntiluokan laserpulssien muotoon ja lopulta niiden vaikutusta systemaattiseen ajoitusvirheeseen laseretäisyysmittauksessa. Väitöskirja esittelee suunnitellun valopulssin kulkuaikamittaukseen perustuvaan laseretäisyysmittariin soveltuvan integroidun vastaanotinkanavan IC-piirin. Se on toteutettu halvalla, kulutuselektroniikkaan soveltuvalla CMOS tekniikalla (0,18 μm) ja se perustuu lineaariseen vastaanottimeen ja nousevan reunan ilmaisuun. Vastaanottimen mitattu systemaattinen ajoitusvirhe on ~ 500 ps (4,5 cm matkassa) 1:21 000 signaalivoimakkuuden vaihtelualueella. Vastaanottimesta mitattu laseretäisyysmittarin kertamittaustarkkuuteen vaikuttava nousevan reunan satunnainen ajoitusepävarmuus oli ~ 12 ps (1.6 mm matkassa) signaalikohinasuhteella > 200. Lisäksi tässä työssä toteutettiin kehitettyä vastaanotin-IC piiriä hyödyntävä valopulssin kulkuaikamittaukseen perustuva etäisyysmittari, jolla kyettiin havainnollistamaan mahdollisuutta mitata pientä tärinää kaukaisessa passiivisessa kohteessa. Tutkalla onnistuttiin havainnoimaan 1,5 mm vaihteluväliltään olevaa 10 Hz tärinä ~ 2 m etäisyydellä olevasta kohteesta. Väitöskirjan yksi tärkeä tulos oli havainnollistaa systemaattisessa ajoitusvirheessä havaittava ero MOSFET-transistoriin ja vyöry-BJT-transistoriin perustuvan laserpulssilähettimen välillä. Integroidun CMOS AP vastaanotinkomponentin käyttökelpoisuus alle nanosekuntiluokan laseretäisyysmittauksessa tutkittiin myös.

Abstract The aim of this work was to improve the performance and usability of a digital time-to-digital converter (TDC) in CMOS technology. The characteristics of the TDC were improved especially for the needs of pulsed laser time-of-flight (TOF) distance measurement, where picosecond-level precision with a long µs-level measurement range is needed in order to approach mm-level measurement accuracy. Stability in the face of process, voltage and temperature variations, multiple measurement channels, alternative measurement modes, a high integration level, standard interfaces and simple usage were the main features for development. The measurement architecture is based on counter and timing signal interpolation on two levels. The counter counts the full reference clock cycles between the timing signals, while a new recycling delay line developed in this thesis interpolates within the reference clock cycle. This technique utilizes a short delay line several times per reference clock cycle, which minimizes the interpolation nonlinearity. The same structure also makes the use of a low, MHz-level reference frequency possible, and thus only a crystal is needed as an external oscillator component. The parallel load capacitor-scaled delay line structure acts as the second, sub-gate-delay interpolation level. The INL does not accumulate in elements connected in parallel, and the load capacitance differences enable high, ps-level resolution to be achieved. Four TDC circuits in 0.35 µm CMOS technology were designed and tested in the course of this work, of which the latest, a 7-channel TDC, is able to measure the time intervals between the start pulse and three separate stop pulses in one measurement and to resolve the pulse widths or rise times at the same time. In laser TOF distance measurement this functionality can be used when several echoes arrive at the receiver, and also to compensate for the detection threshold problem known as timing walk error. The TDC achieves 8.9 ps interpolation resolution within the cycle time of a 20 MHz reference clock using only 8 delay elements on the first interpolation level and 14 delay elements on the second. A measurement precision better than 9 ps was achieved without using result post-processing or look-up tables. This work shows that versatile, high performance TDCs can be created in standard CMOS technology. / Tiivistelmä Väitöskirjatyön tavoitteena oli parantaa CMOS-aika-digitaalimuuntimien suorituskykyä ja käytettävyyttä. Muuntimen ominaisuuksia kehitettiin erityisesti laseretäisyysmittauksen tarpeita ajatellen, missä millimetritason mittaustarkkuus laajalla mittausaluella edellyttää aika-digitaalimuuntimelta pikosekuntitason tarkkuutta mikrosekuntien mittausalueella. Stabiilius prosessiparametri-, jännite- ja lämpötilavaihteluita vastaan, useat mittauskanavat, useat mittausmoodit, korkea integraatioaste, standardoidut liitäntäväylät ja helppo käytettävyys olivat erityisesti kehityksen kohteina. Suunniteltu mittausarkkitehtuuri koostuu laskurista ja kaksitasoisesta ajoitussignaali-interpolaattorista. Laskuri laskee kokonaiset referenssikellojaksot ajoitussignaalien välillä ja työssä kehitetty referenssiä kierrättävä viivelinjarakenne rekistereineen interpoloi ajoitussignaalien paikat referenssikellojaksojen sisältä. Referenssinkierrätystekniikka hyödyntää lyhyttä viivelinjaa useampaan kertaan kellojakson aikana, mikä minimoi epälineaarisuuden interpoloinnissa. Sama rakenne mahdollistaa myös MHz-tason referenssitaajuuden, jolloin matalataajuista kidettä voidaan käyttää referenssilähteenä. Toinen interpolointitaso koostuu rinnakkaisista kapasitanssiskaalatuista viive-elementeistä, mitkä mahdollistavat alle porttiviiveen mittausresoluution. Rinnakkaisessa rakenteessa elementtien epälineaarisuudet eivät summaudu, mikä mahdollistaa pikosekuntitason mittaustarkkuuden. Väitöskirjatyössä suunniteltiin ja toteutettiin neljä aikavälinmittauspiiriä käyttäen 0,35 µm CMOS-teknologiaa, joista viimeisin, 7-kanavainen muunnin kykenee mittaamaan aikavälin useampaan pulssiin yhdellä kertaa sekä voi selvittää samalla pulssien leveydet tai nousuajat. Laseretäisyysmittauksessa monikanavaisuutta voidaan käyttää kun useita kaikuja lähetetystä pulssista saapuu vastaanottimeen sekä kompensoimaan mittauksessa esiintyviä muita virhelähteitä. Käytettäessä 20 MHz:n kidettä referenssilähteenä muunnin saavuttaa alle 9 ps:n interpolointiresoluution ja tarkkuuden ilman epälineaarisuudenkorjaustaulukoita. Työ osoittaa, että edullisella CMOS-teknologialla voidaan toteuttaa monipuolinen ja erittäin suorituskykyinen aika-digitaalimuunnin.