JSSC 2021第10期Data Converters110nmCMOS Image Sensor

A6 4 64 SPAD-Based Indirect Time-of-Flight Image Sensor With 2-Tap Analog Pulse

提出一种基于SPAD的64×64间接飞行时间图像传感器，深度范围达50米。

110nm CMOS, 50m深度范围, 65帧/s帧率, 0.22%相对深度不确定度

SPAD间接飞行时间图像传感器深度范围CMOS

▸创新点1：采用双抽头计数器提高填充因子（电路创新）。通过在每个像素中集成两个紧凑的模拟时间门控脉冲计数器，显著提高了像素的填充因子至26.3%，同时保持32微米的像素间距，优化了光信号采集效率。

▸创新点2：使用逆行深n阱作为保护环结构（工艺创新）。通过引入逆行深n阱作为保护环结构，有效抑制了SPAD的串扰和暗计数率，提升了传感器的信噪比和测距精度，相对深度不确定度低至0.22%。

▸创新点3：优化模拟计数器布局（设计创新）。通过重新设计模拟计数器的布局，减少了电路面积占用，使得在有限像素尺寸内实现双抽头计数器成为可能，同时支持1.56 MHz和50 MHz双解调频率，实现50米大测距范围。

▸创新点4：多帧累积与光学带通滤波结合（系统创新）。结合光学带通滤波和多帧累积技术，传感器在120 klx强光环境下仍能稳定工作，显著提升了抗环境光干扰能力，支持65帧/秒的高3D帧率。

Abstract

This article presents a 64× 64 indirect time-of-ﬂight (iToF) image sensor with a depth range of 50 m, integrated into a 1P4M 110-nm CMOS process. The sensor is based on a single-photon avalanche diode (SPAD), the range-dependent phase delay of which is measured by compact analog time-gated pulse counters and then read out by column-parallel single-slope (SS) analog-to-digital converters (ADCs). We present two pro- totypes of iToF sensors that exploit one- or two-tap counters in the pixel. Compar