XTD50是针对激光雷达的高精度高线性度的单通道时间数字转换器芯片

自被引入自动驾驶系统，成为无人车安全行驶必备的三维视觉传感器至今，基于直接飞行时间（dToF）技术的激光雷达（LiDAR）已从单一的电机旋转扫描式发展出多种体制，如旋转棱镜、MEMS振镜、Flash阵列等。每一款商用化LiDAR产品的推出，都推动着其向更小体积、更低成本、更易量产的方向发展。

目前LiDAR产品的演进，主要是由光学系统的精密化来推动的，而光电传感器、激光驱动器、前端接收电路、后端处理芯片等均没有太大变化，若无法使这些关键电路达到更高的集成度、更全面的功能、更高的性能，激光雷达的发展将会进入显而易见的瓶颈期。传统旋转扫描式和MEMS振镜式LiDAR受到前端光电探测器及其接收电路在集成度和性能等方面的限制，其空间分辨率和灵敏度难以提升，对探测小体积和远距离的目标物常常力有不逮。

单光子雪崩二极管（SPAD）传感器、垂直腔面发射激光器（VCSEL）、高低压数模混合集成电路等技术的发展为LiDAR带来了更多的可能性和更广阔的应用空间。基于VCSEL和SPAD阵列的dToF技术是公认的实现小型化、低成本、易量产LiDAR的一条重要路径。

在出射光源受到人眼安全、功耗等条件限制时，远距离目标物反射回LiDAR接收系统的光强会随着距离的增加急剧减弱，甚至被弱化至单个光子的级别。而正如其名称，SPAD是一种可以被弱光触发的光电二极管，同时具有体积小、灵敏度高等特点，可以与后端处理电路一同被集成在单颗芯片上，实现多像素3D图像传感器，使得基于SPAD的探测芯片可广泛适用于移动终端、智能家居、智慧交通、工业机器人以及自动驾驶等领域。苹果公司即在今年初发布的2020款iPad Pro上搭载了基于SPAD阵列的dToF传感器。相比于智能手机上常用的间接飞行时间（iToF）传感器，dToF具有灵敏度高、测量距离远、功耗低、抗多路径干扰强等优点。

据麦姆斯咨询报道，针对移动设备远距离三维感知的需求，宁波芯辉科技有限公司（以下简称「芯辉科技」）近日发布了基于dToF探测的XHS301芯片，该芯片采用其行业领先的dToF单光子探测技术，XHS301为32 x 32 x 4分辨率、超30fps的刷新率，在单芯片上实现了核心感光器件SPAD阵列及精准测距电路、多种测距精度优化和抗背景光干扰算法的高度集成，内置经低功耗优化的专用数字处理算法（DSP）和图像处理算法（ISP），可以在不超过200mW的整体超低功耗下实现超15米的远距离高精度探测。

图1 XHS301芯片照片

图2 XHS301样机

图3 XHS301探测的点云图

“芯辉团队主要成员均为国内的博士和硕士，从2014年开始专注于芯片化激光雷达技术研究，最新SPAD芯片的成功开发表明，芯辉团队的技术水平完全不输于国外最先进水平。在今年下半年，我们还将推出QVGA分辨率的dToF SPAD探测芯片，更贴近增强现实（AR）、智能家居等市场的应用需求。”「芯辉科技」联合创始人兼CTO刘马良博士介绍说，“同时，我们相信传统旋转式和MEMS式LiDAR不会立刻被淘汰，更高性能和更高集成度的前端模拟芯片将有效提升旋转式和MEMS振镜式LiDAR的视场角、空间分辨率和距离精度，大幅缩小LiDAR的成本和体积，为LiDAR打开更广泛的应用场景和市场空间。未来芯辉将向市场提供含有传感器芯片、激光器驱动芯片、自动化标定系统及三维图像算法的一站式解决方案。”

据介绍，除最新发布的单光子探测阵列芯片XHS301外，「芯辉科技」还量产了多款可应用于线性模式探测激光雷达的专用芯片，包括多通道跨阻放大器（XTA1620/XTA0820）、多回波高精度时间数字转换器（XTD50）、高速模数转换器（XAD1010），以及集成度更高的多模块激光雷达接收芯片，适用于MEMS振镜式、旋转扫描式等多种体制激光雷达。

XTA1620/XTA0820是16/8通道低噪声跨阻放大器，适用于线性模式APD前端探测电路。均具有4档可调增益，内置输出驱动电路，具有50Ω负载电阻驱动能力。

XTD50是针对dToF激光雷达特殊优化的高精度高线性度的单通道时间数字转换器芯片。该芯片内置数据处理电路，可快速获取并处理多个终止信号，时间分辨率优于50ps，适用于激光雷达多回波探测和有效信号筛选。

XAD1010是一款适用于线性模式激光雷达回波信号全波形采样的高速模数转换器，在获取目标距离信息的同时捕捉回波的强度信息，提高激光雷达探测精度和探测效率。

「芯辉科技」联合创始人兼CEO马瑞博士说：“芯辉团队以自主可控为前提，具有深厚的模拟芯片设计积淀，掌握100余项相关的授权发明专利，是极少数完全在国内完成光电传感器件、混合信号集成电路、及芯片参考设计等核心技术开发的公司。随着激光雷达市场发展以及国产芯片替代进程的加速，芯辉科技将持续提供更贴近市场需求的产品，为客户创造更多价值。欢迎全球优秀的行业人才加入芯辉，与我们的伙伴们、客户们持续创新、共同创造、共同成长，使「芯辉科技」成为具备全球竞争力的光电类集成电路设计企业。”
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