Analog dual-phase lock-in detector for interferometric and TOF distance measurement with SPADs

Abstract

This thesis is about the design of an analog integrated circuit for frequency or phase determination in an absolute laser distance measurement setup. For light detection, a single-photon avalanche diode (SPAD) is used, which allows the detection of single photons and thereby high measuring distance. Frequency or phase detection will be done by the correlator circuit developed in this work. The circuit is implemented in a 150nm CMOS process of LFoundry GmbH. At the beginning an introduction explains the principle of measurement and the functional principle of the circuit. In the following chapter the circuit design and main components are explained. After discussing some important aspects of the layout, there is a chapter dedicated to the proof of function by post-layout simulations. The next chapter explains the planned measurement setup. A comparison to other works underlines the improvements due to the use of single-photon avalanche diodes in this area. In a short conclusion the results of this work and an outlook to future measurements is presented.

Diese Diplomarbeit befasst sich mit dem Entwurf einer analogen integrierten Schaltung zur Frequenz oder Phasen-Bestimmung in einem Laser-Distanzmessaufbau. Die Lichtdetektion erfolgt mit einer Einzelphotonen-Lawinen-Diode, welche die Detektion einzelner Photonen und somit große Messdistanzen ermöglicht. Die Frequenz bzw. Phasen-Bestimmung erfolgt durch die, in dieser Arbeit entwickelte, Korrelationsschaltung. Umgesetzt wird die Schaltung mit einem 150nm-CMOS-Prozess der LFoundry GmbH. Zu Beginn wird in einem Einführungs-Kapitel das zugrundeliegende Messprinzip und das Funktionsprinzip der Schaltung erklärt. Anschließend wird näher auf den Schaltungsentwurf und die einzelnen Komponenten eingegangen. Nachdem einige wichtige Aspekte des Layouts angesprochen wurden, ist ein Kapitel der Funktionsprüfung mittels Post-Layout-Simulationen gewidmet. Danach wird der geplante Messaufbau beschrieben. Ein Vergleich zu anderen Arbeiten in diesem Bereich unterstreicht die Verbesserungen durch den Einsatz von Einzelphotonen-Lawinen-Dioden in diesem Bereich. In einer kurzen Conclusio werden noch die Resultate dieser Arbeit und ein Ausblick auf spätere Messungen präsentiert.