Recently, the LADAR receiver is applied in many fields such as automotive, military or ro-botics for target identification and range determination, or 2D and 3D imaging system. Pulsed time-of-flight (TOF) LADAR is widely used to measure distances due to its unique advantage of high precision compare to other measurement methods such as the continuous-wave optical phase meth-od.
The pulsed TOF LADAR receiver has many design issues such as sensitivity, precision, walk error, or dynamic range. Especially for the military application which targets for km-range detection, the sensitivity of the LADAR receiver becomes a significant since the received signal is very weak due to the long distance. To deal with the weak signal, the minimum detectable signal (MDS) should be very low level around few tens of nW. The required accuracy of LADAR receiver for the military application is around a few meters. It is less precise than that of few tens of meter LADAR, however, the walk error still exists as an important issue with large dynamic range. Moreover, the multiple target resolution, power, and cost are also other issues that need to be considered in pulsed LADAR receiver.
To resolve the above issues, the dissertation proposes an integrated receiver with high sensi-tivity and low walk error and corresponding TDC for a military purpose pulsed time-of-flight (TOF) LADAR system. The proposed receiver adopts a dual-gain capacitive-feedback TIA (C-TIA) in-stead of widely used resistive-feedback TIA (R-TIA) to increase the sensitivity. In addition, a new walk-error improvement circuit based on a constant-delay detection method is proposed. Imple-mented in 0.35μm CMOS technology, the receiver achieves an input-referred noise current of 1.36pA/$\surd$ Hz with bandwidth of 140MHz and minimum detectable signal (MDS) of 10nW with a 5ns pulse at SNR=3.3, maximum walk-error of 2.8ns, and a dynamic range of 1:12,000 over the operating temperature range of $-40^\circ C$ to $+85^\circ C$. Besides, a 14-bit counter-based TDC is proposed with 1.2km of measurable range with 0.5ns of resolution.
종래에 들어, 레이저 레이더 수신기는 자동차, 군용, 로봇 등에서 사물 인식 혹은 거리 측정하는 데 사용되거나, 2차원 혹은 3차원 이미징 시스템에 적용되어 왔다. 레이저 레이더에는 여러 종류가 있지만, 그 중 펄스 Time-of-Flight (TOF) 레이저 레이더는 다른 연속 파형을 이용한 광 측정 방법보다 신호를 강하게 보낼 수 있어 중장거리 용으로 유리하다.
펄스 TOF 레이저 레이더 수신기에는 감도, 정확도, walk error, dynamic range 등 여러 가지 이슈가 있다. 특히, 군용 어플리케이션에서는 반사되어 돌아오는 신호가 수 km를 지나오기 때문에, 군용 펄스 레이저 레이더에서는 감도가 가장 중요한 이슈로 작용한다. 이러한 약한 신호를 탐지하기 위해서 수신기는 수십 nW 정도 레벨의 신호를 최소 탐지 가능 해야 한다. 또한, 군용 레이저 레이더에서 정확도는 수십 cm 혹은 수 m 레벨로, 수십 m용 레이저 거리 측정기 등에서 수 mm 레벨을 요구하는 데 비해선 상대적으로 요구하는 레벨이 낮은 편이다. 하지만, 여전히 walk error 등은 중요한 이슈로 작용한다. 이외에도 레이저 레이더 수신기 설계는 여러 개의 사물을 얼마나 높은 해상도로 판별할 수 있는가를 나타내는 multiple target resolution, 소모 전원, 비용 등 여러 측면들이 고려되어야 한다.
위에서 설명한 여러 가지 이슈들을 해결하기 위해, 본 논문은 고감도, 저 walk-error특성을 가지는 레이저레이더 수신기를 집적회로로 구현하였고, 이에 따른 TDC 도 설계하였다. 제안한 수신기는 기존에 다른 레이저 레이더에서 주로 사용한 저항 부귀환 TIA 대신, 축전기 부귀환 TIA를 사용하여 감도를 크게 향상시켰다. 또한, 축전기의 이득을 2단계로 조절 가능하게 함으로써 dynamic range 역시 개선하였다. 게다가, “constant delay detection 방법”이라는 새로운 walk-error 개선 방법을 제안하여 walk-error도 개선하였다. 0.35um CMOS 공정으로 집적한 수신기는, 측정 결과, 140MHz의 대역폭에서 1.36 pA/$\surd$ Hz 의 input-referred noise 성능을 나타냈고, 최소 탐지 가능 신호는 5ns 펄스, SNR 3.3 기준, 10nW로 측정되었다. 또한, 최대 Walk-error는 약 2.8ns 로 거리 환산 시 42cm 의 error만을 발생시켰고, 총 dynamic range는 1:12,000의 결과를 나타냈다. 온도 측정 역시 진행하였는데, $-40^\circ C$ 부터 $+85^\circ C$ 에서 정상 동작 하는 것을 확인하였다. 또한, 이러한 레이저 레이더 수신기에 사용할 TDC는 1.2km 의 측정가능 범위와 0.5ns (7.5cm)의 해상도를 갖도록 설계하였다. 따라서, 결론적으로, 본 논문에서는 민군겸용 레이저 레이더에서 요구하는 모든 이슈를 만족시킨 수신기를 완성도 있게 설계하였다.
