自从激光被发明以来,激光探测设备一直是人们开发和研究的热点。从起初的激光测距仪、激光导引头,到现在成熟的扫描式激光雷达和正在发展的三维激光成像,激光探测设备经历了单通道半主动式探测,到多线列/大面阵主动式探测的演进,这一变化是伴随着半导体集成技术和光电探测器件制作工艺的不断进步而得来的。本研究正是致力于通过集成电路技术来实现线性模式激光雷达的前端模拟读出电路,以减小接收模块的体积和功耗,并结合三维封装技术,最终实现激光雷达探测系统的单片化集成。通过深入分析其工作原理,本文对线性模式激光雷达前端接收器的各关键电路进行了研究。针对不同的应用场景,分别设计了一款应用于车载扫描式激光雷达的单通道前端模拟接收器,和一款应用于大范围目标搜索跟踪的矩阵式四象限激光雷达的专用读出电路芯片(ROIC),最后还完成了一款可用于线性模式激光雷达数据采集的100MS/s10位的高速逐次逼近型模数转换器(SARADC)。本文设计的单通道扫描式激光雷达模拟前端接收器可实现激光脉冲飞行时间(TOF)探测,采用双阈值时刻鉴别法以提高探测精度,并通过SMIC0.18μmCMOS工艺实现,芯片有效面积为0.85×0.67mm2。芯片采用带有附加反馈的调节型共源共栅放大器(RGC)作为输入级,有效地提高了接收器的带宽;还通过模拟选择器实现增益可调的后放大器,提高了接收器的增益和动态范围;最后利用两个阈值不同的高速低延迟散布比较器来获取激光回波脉冲的前沿时刻,以及用于修正回波脉冲行走误差(Walk Error)的鉴别信号时间差。测试结果显示,该接收器的带宽高达350MHz,可通过外部编码实现54dBΩ/66dBΩ/80dBΩ/94dBΩ四种增益模式调节,线性输出的动态范围达到66dB,低延迟散布的双阈值比较器可以获得最大480ps的鉴别信号时间差,能够有效地修正TOF探测的行走误差,使接收器的探测精度到达10厘米。为了满足大视场范围内快速搜索和跟踪目标的需要,本文提出了一种矩阵式四象限激光雷达,并基于32×32雪崩光电二极管(APD)面阵,利用SMIC0.18μm CMOS工艺实现了该雷达的专用ROIC,芯片总面积为13×13mm2。利用所提出的电流镜式增益可调跨阻放大器(TIA),ROIC实现了 32×32个单元读出电路,其前端TIA利用带有电位平移器的电流镜作为输入级,有效地减小了输入电阻,实现了精确的增益调节,并扩展了接收电路的线性动态范围;由于四象限探测法每次照射至多有2×2个像元被点亮,ROIC自动地将有效像元的电压脉冲通过256:1多路模拟选择器与对应的峰值检测保持电路(PDSH)相连,再由带有可变电流源的高速PDSH电路将单元电路获取到的回波峰值信息精确地传送给后级电路;同时,单元电路内部的高速失调比较器可以自动检测出被回波照射的有效像元,并通过有效像元检索电路将被照射像元的位置坐标串行输出给外部控制系统。利用4通道PDSH电路获取的峰值信息可用于计算回波光斑在小四象限矩阵内的偏移量,而且通过有效像元检索电路可以获得这个小矩阵在大面阵中的位置。经过测试,ROIC单元电路的增益最高可达106dBΩ,带宽超过50MHz,最小可探测电流低至500nA,线性动态范围达到80dB,最大摆幅超过1V,在探测70ns脉宽激光脉冲时,PDSH电路的过冲误差小于3mV,满足后级ADC采集数据的要求。为了提高四象限激光雷达的测角精度,可以利用高速ADC来获取这四个像元所产生电压的幅值,以此精确地计算出回波光斑质心的偏移量,再结合像元在面阵中的坐标位置,可快速获取待测目标的方位和距离,使大范围内目标的搜索效率得到极大地提升。为此,本文实现了一种10位100MS/s的高速低功耗SARADC,并结合拆分结构电容开关时序,提出了一种新的高线性度、低功耗的SAR开关时序。相对于VCM-based开关时序,该时序对最低位电容也进行开关动作,减少了数字模拟转换器(DAC)电容阵列中单位电容C的数量,从而降低了功耗。另外,与传统开关时序相比,该时序在确定前两位数字码(MSB and 2nd-MSB位)时仅使用VDD/GND对本位电容进行充放电,而避免了 VCM电平对大电容充电过慢的问题,提高了前两位数字码的转换速率。对一个10位的SARADC来说,所提出的开关时序仅需要28个单位电容,功耗仅为47.7CVref2,相对于传统开关时序,该开关时序的功耗减小了 96.5%。ADC中的高速动态比较器采用了预放大+锁存两级结构,有效减小了比较器的失调电压、回踢噪声和功耗。最后,通过一种适用于高速SARADC的异步SAR控制逻辑电路,减小了 SAR控制逻辑的延时,提高了转换速率,并避免了从片外引入高频时钟信号。通过SMIC0.18μmCMOS工艺流片,芯片有效面积为0.48×0.45mm2,在100MS/s采样率,输入9.86MHz单音信号时,测得SFDR为63.49dB,SNDR为52.35dB,有效位数是8.24位,满足矩阵式四象限激光雷达的数据采集需要。