3D成像系统通过距离探测建立物体轮廓的深度图像,典型的成像系统可以提供毫米以下级别的精度。典型的激光雷达（Light Detection and Ranging,Li DAR）系统利用高灵敏度的SPAD传感器,产生异步上升沿信号定义光子飞行时间（Time of Flight,ToF）,并通过时间数字转换器（Time to Digital Converter,TDC）将待测ToF转换为数字编码,完成量化。更短波长的激光能够提高系统的量化精度,3D成像系统中,TDC的性能指标直接决定了系统的性能,是成像系统中重要的组成部分。TDC的分辨率和量程决定系统的测量精度和范围;TDC死区时间限制过采样频率,从而对量化噪声数值产生影响。针对LiDAR系统中对ToF测量的高精度和宽量产要求,本文基于直接ToF测量方法,提出了一种全数字混合式TDC电路,TDC利用多段结构保证宽量程,利用一种新的数字时间放大器和游标环TDC结合的方式提高量化精度。混合式TDC的参考时钟和控制电压由双极DLL提供,在一帧中利用过采样减小量化误差。本文的混合式TDC利用三段式结构,首先对待测时间段进行粗量化,之后对上一级产生的初相和末相量化误差进行两级细量化。粗量化由计数器完成,之后产生的高段量化误差由对应的初末相中段TDC利用相位插值法进行量化,其分相时钟由双极DLL（Delay Locked-Loop）中的主级DLL提供。中段的初末相量化误差通过同步器进行提取,并送至低段TDC进行细量化。为了减小中段引入的量化误差,同步器的DFF采用灵敏放大型放大器结构,并对其保持时间进行建模和优化。低段TDC决定了混合式TDC的分辨率,本文中低段采用时间放大器和游标环TDC级连的结构降低TDC的分辨率,等效分辨率与时间放大器放大倍数成反比关系。通过分析时序约束,保证低段TDC在其量程内的正常功能。同时,为了保证低段TDC的量化线性度,采用数字时间放大器保证量程内的放大倍数的线性特性。文中的电路模块优化基于所提出的量化噪声积累模型。本文设计基于TSMC 0.18μm标准CMOS工艺,完成了电路设计、版图设计和前后端验证和流片验证,总电路面积1121μm×1165μm。电路的模拟功耗为16.3m A,数字功耗即TDC功耗为8.12m A。芯片测试结果表明:在240MHz输入参考时钟、1.8V电源电压、27℃条件下,三段式TDC分辨率为39ps,测量范围为508ns,DNL（Differential Nonlinearity）小于0.65 LSB,INL（Integral Nonlinearity）小于0.975 LSB。死区时间小于1451ns。