无人驾驶是未来汽车工业的重要发展方向。汽车通过传感器对周围车辆、道路、行人等障碍物进行探测,获得障碍物距离信息,从而为无人驾驶系统提供位置数据。由于激光雷达探测精度高,受光照影响小,可以直接获取障碍物位置信息,因此,激光雷达测距系统将成为无人驾驶系统中的重要传感器系统之一。飞行时间测距(Time of Flight),是一种基于CMOS传感器的测距方法。激光器发射出特定波长的激光脉冲,激光遇物体后发生反射,传感器通过测量激光脉冲信号往返传感器与被测物体的时间差或相位差,计算出传感器与被测量物体之间的空间距离,从而获得深度信息,进而将物体的三维轮廓以深度图像的形式呈现出来。直接(脉冲)TOF测距与相位式TOF测距相比,其特点是传感器接收的返回信号为单光子信号,避免连续回波串扰,测量距离不受激光波长的限制。脉冲式TOF测距可以对中远程距离、低回波能量目标实现高速、低功耗、高精度的距离信息测量,因此在汽车无人驾驶领域展示出非常好的前景。本文提出了一种基于单光子雪崩二极管(Single-Photon Avalanche Diode)宏像素的DTOF测距传感器的设计方案,该方案针对环境光中光子的随机特性以及SPAD的雪崩特性,使用多个SPAD构成宏像素,以宏像素作为激光探测的基本单元。传感器通过光子并发性检测电路,筛除宏像素探测到的没有相关性的光子脉冲,减少环境光或暗电流对SPAD造成的误触发。针对延时线结构时间数字转换器(TDC)易发生延时漂移的问题,该电路使用多相位输出锁相环与TDC相结合的方式进行飞行时间测量,测量时间分辨率为200皮秒,测距精度约为3厘米,探测距离可达200米。传感器电路采用中芯国际SMIC 0.18μm工艺进行电路设计、版图实现以及仿真。