Integrated time-to-digital converter for a time-of-flight laser rangefinder

Laser rangefinders have numerous applications and are used, for instance, to measure distance in industry automation. My thesis work is part of a project, which aims at developing a single point, handheld laser rangefinder, for an industrial environment, aiming at identifying the objects position and distance on an automated assembly line within 2 meters range and with few centimeters resolution, independently from the object reflectivity and also with a strong background ambient illumination. The rangefinder is based on the direct Time-of-Flight technique, that consists in directly measuring the round-trip return time of an emitted optical signal, back-scattered by the target and received by a detector. The aim of this thesis work is to develop a Time-to-Digital Converter (TDC), which can be integrated together with the light sensor in the laser rangefinder. The core of the TDC is a Cyclic Vernier Delay Line through which a 70 ps timing resolution and a 16 ns Full-Scale-Range (FSR) are achieved. A Cyclic Vernier Delay Line is based on the following principle: by calling START and STOP two signals synchronous to the beginning and to the end of the time interval to be measured, these two signals propagate into two different cyclic delay lines. Eventually, the STOP signal which travels on the faster delay line, gradually reaches and overtakes the START signal. The result of the conversion is given by the number of cycles necessary for this to happen, as given, in the proposed implementation, by a 5-bit counter, and by the number of delay cells in the last cycle as given by a 3-bit register. Another important part of the TDC is the so called self-calibration circuit, whose aim is to solve the intrinsic non-linear behavior of the cyclic Vernier delay line, caused by process mismatches, particularly important in circuits which include an array of TDCs. The idea then is to equalize the average LSB of every TDC, by feeding the Vernier loops with internally generated START and STOP pulses with a fixed delay so that, in nominal conditions, the number of loops to be performed before conversion ends is equal to a predetermined value. The design of the TDC was done employing a 0.16 µm BCD technology and using the Cadence Virtuoso design environment.

I telemetri laser hanno numerose applicazioni e sono utilizzati, ad esempio, per misurare le distanze nell’automazione industriale. È richiesto sviluppare un telemetro laser da utilizzare in un ambiente industriale, che mira ad identificare la posizione di oggetti posti su una catena di montaggio automatizzata, ad una distanza massima di 2 metri, con una risoluzione di qualche centimetro, indipendentemente dalla riflettività dell’oggetto e dalla forte illuminazione di fondo. Il telemetro è basato sulla tecnica della misura del tempo di volo, che consiste nel quantificare il tempo di andata e ritorno di un segnale ottico emesso, riflesso dall’oggetto e ricevuto da un rivelatore. È pertanto necessario un convertitore tempo-digitale (TDC) perché il tempo di volo venga correttamente misurato. Obiettivo di questo lavoro di tesi è lo sviluppo di un’architettura di TDC che venga impiegata nell’applicazione sopracitata. Il nucleo del TDC è una linea di ritardo di tipo Vernier, attraverso la quale vengono ottenuti una risoluzione di circa 70 ps ed un Full-Scale-Range di 16 ns. La Linea di Ritardo di tipo Vernier si basa sul seguente principio di funzionamento. Siano START e STOP i due segnali sincroni rispettivamente all’inizio e alla fine dell’intervallo di tempo da misurare. Questi due segnali si propagano in due linee di ritardo cicliche e il segnale di STOP, che viaggia sulla linea più veloce, raggiunge gradualmente e supera il segnale di START. Il risultato della conversione è dato dal numero di cicli necessari affinché avvenga il superamento dello START sullo STOP, come specificato da un contatore a 5-bit, e dal numero di celle di ritardo dell’ultimo ciclo, come specificato da un registro da 3-bit. Un’altra parte fondamentale del TDC è il circuito di auto-calibrazione, il cui ruolo è quello di risolvere il comportamento non lineare della linea di ritardo Vernier, a causa di eventuali mismatch ed asimmetrie. L’idea è quella di eguagliare l’LSB medio del TDC, fornendo alle linee di ritardo dei segnali di START e STOP generati internamente con un ritardo fisso cosicché, in condizione nominale, il numero di cicli prima che termini la conversione corrisponda ad un valore predeterminato. La progettazione del TDC è stata fatta utilizzando una tecnologia BCD 0.16 µm, e servendosi dell’ambiente di sviluppo Cadence Virtuoso.