低漂移誤差之採用前緣辨識器與飛行時間量測法之脈衝雷射測距儀

Low Walk Error Receiver Channel with Leading Edge Timing Discriminator for a Pulsed Time-of-Flight Laser Rangefinder

李冀翔(Ji-Shiang Li)

指導教授 ： 徐永珍

國立清華大學/電機資訊學院/電子工程研究所/碩士(2009年)

摘要

本論文為一個使用飛行時間法(time-of-flight)之脈衝雷射測距系統，在時間點辨識方面採用的是前緣偵測辨識法(leading edge discrimination)，時間點辨識是測距系統一個非常重要的部分，因為它會直接影響距離量測的精準度。由於訊號振幅變化的範圍很大，此種辨識法在傳統的架構中，有著漂移誤差(walk error)非常嚴重的問題，通常是採用峰值偵測器(peak detector)去量測每一次回來訊號的振幅，再根據已知距離的修正表(correction table)去做補償。在本論文中，有別於傳統的做法，並未使用峰值偵測器來做補償，而是使用光纖通訊電路中限幅放大器的架構來直接降低漂移誤差，增加整個系統的精準度。
在整個系統中，接收端的電路是主要設計的部分，晶片是透過國家晶片設計中心，以TSMC 3P3M 0.35μm SiGe BiCMOS標準製程來完成，整個電路包括光感測器(photo detector)、轉阻放大器(transimpedance amplifier)、限幅放大器(limiting amplifier)與ECL時間比較器。量測時以圖騰產生器產生兩個有時間延遲的脈衝來模擬實際測距時，雷射光在空氣中來回飛行的時間，並利用時間至數位轉換器(time-to-digital converter)將此時間值轉換為數位訊號以供判讀。量測結果顯示在200ns~1000ns的時間延遲範圍以及50uA~1mA輸入電流範圍內，整個系統都能正確操作。

關鍵字

雷射測距儀 ； 漂移誤差 ； 轉阻放大器 ； 限幅放大器 ； 前緣辨識器

參考文獻

[1] 林建忠,“雷射測距技術與研究現況” Photonics Industry & Technology Development Association, Jan 1999.

[2] T.Ruotsalainen, P.Palojärvi, and J.Kostamovaara,“A 250-MHz BiCMOS Receiver Channel With Leading Edge Timing Discriminator for a Pulsed Time-of-Flight Laser Rangefinder,” IEEE Journal of Solid-State Circuits, VOL. 40, NO. 6, June 2005.

[8] Tero Peltola, Tarmo Ruotsalainen, Pasi Palojärvi and Juha Kostamovaara,“A Receiver Channel With a Leading Edge Timing Discriminator for a Pulsed Time-of-Flight Laser Radar,”Department of Electrical and Information Engineering, University of Oulu, 2000.

[10] D. Micusik and H.Zimmermann,“Tranimpedance Amplifier with 120 dB dynamic range,”Electronics Letters, Vol.43, No.3, 1st February 2007.

[12] Behzad Razavi,“Design of Integrated Circuits for Optical Communications,” McGRAW-Hill, 2003, pp.62-142.