\cleardoublepage
\noindent
{\large\sffamily\bfseries\MakeUppercase{Rozšířený abstrakt}}

\vspace{0.5cm}

Vynález jednofotonové lavinové diody a možnost její integrace do řady standardních CMOS výrobních procesů umožnily rozvoj nových snímacích a zobrazovacích technologií. Citlivost tohoto fotodetektoru na jednotlivé fotony a schopnost detekovat čas dopadu s pikosekundovým rozlišením využívají pozitronové emisní tomografy, různé druhy spektroskopie a mikroskopie nebo právě systémy LIDAR s přímým měřením doby průletu.

Základním principem těchto systémů je měření časového intervalu od okamžiku, kdy je vyslán laserový paprsek, do okamžiku, kdy je opětovně detekován detektorem, který se skládá právě z jednofotonových lavinových diod. Jelikož je rychlost světla v prostředí známá konstanta, lze s pomocí změřeného časového intervalu vypočítat vzdálenost k překážce, od které se paprsek odrazil. Systémy LIDAR proto fungují jako zobrazovací snímače, které místo vlnové délky nebo intenzity dopadajícího elektromagnetického záření snímají čas průletu, a tedy vzdálenost k objektům v jejich zorném poli. Ve srovnání s ostatními metodami měření vzdáleností v 3D prostoru, jako jsou například ultrazvukové senzory, stereoskopické kamerové systémy nebo mikrovlné radary, mohou systémy LIDAR nabídnout lepší rozlišení, větší dynamický rozsah, nižší náročnost na výpočetní výkon a schopnost pracovat v prostředích s denním světlem i ve tmě. 

Systémy LIDAR často nachází uplatnění v automobilovém průmyslu, kde tvoří jednu z klíčových komponent moderních pokročilých asistenčních systémů, protože umožňují přesné měření vzdáleností k překážkám v prostoru. Už nyní také existují prototypy samořídících automobilů, které se při orientaci v prostoru spoléhají právě na systémy LIDAR \cite{waymo}.

První kapitola semestrální práce se věnuje systémům LIDAR a jejich hlavním komponentám. Představuje dva základní přístupy snímání vzdáleností v zorném poli, tedy metodu skenování, která zorné pole ozařuje postupně po jednotlivých segmentech, a metodu záblesku, která zorné pole ozáří rozptýleným světlem v jediný okamžik a snímá jej celé současně. Další sekce první kapitoly se pak zabývá laserovými zdroji a požadavky, které jsou na ně kladeny. Výběr vlnové délky nebo optického výkonu laseru určuje do velké míry odstup signálu od šumu celého systému.

Velká část první kapitoly je věnována jednofotonovým lavinovým diodám, které jsou optimálními fotodetektory pro systémy LIDAR. Je popsána jejich struktura, jednotlivé fáze průrazu, šum a přeslechy, účinnost detekce nebo tzv. \enquote{hasicí} obvody. Protože se od systémů LIDAR očekává vysoké prostorové rozlišení, jsou diskutovány i možnosti zapojení těchto detektorů do větších souborů.

V poslední sekci první kapitoly je pak osvětlena důležitá technika, která umožňuje přesnou rekonstrukci času průletu fotonů i v zašuměných venkovních prostředích. Tato technika se nazývá časově korelované čítání fotonů. Principem této metody je měření času průletu v několika cyklech, kdy je každý výsledek měření uložen do histogramu. Na konci měření je pak výsledný čas průletu určen jako modus jednotlivých konverzí. Jsou diskutovány i další možnosti zlepšení tohoto algoritmu.

Druhá kapitola se věnuje časově digitálním převodníkům, které měří čas průletu. Jejich parametry, jako dynamický rozsah, rozlišení, šum apod., jsou tedy určující pro přesnost celého systému. V této kapitole jsou přiblíženy techniky používané při jejich realizaci pro LIDAR systémy, sloužící pro zvýšení linearity převodní charakteristiky nebo snížení výkonové spotřeby. Výkonová spotřeba těchto převodníků je obzvláště důležitá, protože LIDAR systémy obsahují velké soubory fotodetektorů, a tedy i velké soubory časově digitálních převodníků.

Dále jsou představeny jednotlivé typy převodníků -- hrubé převodníky s velkým dynamickým rozsahem založené na jednoduchých čítačích, dále tzv. \enquote{jemné} převodníky spoléhající na propagační zpoždění digitálních signálů a umožňující dosažení rozlišení v řádu desítek pikosekund, i skutečně pokročilá řešení umožňující dosažení rozlišení v řádu jednotek pikosekund. Protože nastavení operačního bodu zpožďovacích buněk jemných časově digitálních převodníků se v praktických řešení nastavuje pomocí tzv. závěsů zpoždění (DLL), část druhé kapitoly se věnuje i jim a způsobům implementace řízených zpožďovacích buněk v CMOS výrobních procesech.

Na závěr druhé kapitoly je představena problematika distribuce hodinových signálů napříč soubory časově digitálních převodníků. Jelikož je v LIDAR systémech velký počet převodníků, vzdálenosti mezi nimi jsou na poměry integrovaných obvodů vysoké a při distribuci hodinových signálů na dlouhé vzdálenosti může vlivem parazitních vlastností kovových propojovacích vrstev docházet k velkým dynamickým ztrátám. Alternativním přístupem je generování hodinových signálů lokálně pomocí kruhových oscilátorů, což je z pohledu výkonových ztrát optimální řešení, avšak vzájemný nesouběh těchto oscilátorů se projeví náhodnou chybou zisku a vzorovým šumem jednotlivých \enquote{pixelů} LIDAR systému.

Nový přístup řešení tohoto problému reprezentují tzv. injekcí zavěšené oscilátory. To jsou oscilátory, které je možné pomocí periodických injekcí relativně malé energie (nejčastěji v podobě proudových pulzů, resp. dávek náboje) zavěsit na frekvenci injekcí. Třetí kapitola je věnována tomuto fenoménu, který je vysvětlen jak pomocí modelu harmonického LC oscilátoru, tak pomocí modelu kruhového oscilátoru. Třetí kapitola obsahuje kompletní matematické postupy vedoucí k odvození rovnic pro tzv. rozsah závěsu, což je rozsah frekvencí injekcí, na které je oscilátor schopen se zavěsit. Je také představeno konkrétní řešení problému distribuce hodinových signálů napříč soubory časově digitálních převodníků, které díky injekčnímu zavěšení dokáže garantovat synchronizaci frekvencí jednotlivých kruhových oscilátorů, a to za pomoci slabých, a tudíž relativně energeticky nenáročných periodických injekcí.

Dosavadní literatura o injekcí zavěšených kruhových oscilátorech se však nevěnuje některým neidealitám jejich reálné implementace. Jednou z nich je například vliv střídy hodinového signálu, od kterého se odvozují injekce, na rozsah závěsu injekcí zavěšeného oscilátoru.

Ve čtvrté kapitole je tudíž představen makromodel injekcí zavěšeného kruhového oscilátoru vytvořený v programu Matlab Simulink, s jehož pomocí byla prostřednictvím řady analýz ověřena správnost analytických odvození představených ve třetí kapitole, a díky němuž byla prozkoumána citlivost oscilátoru na variaci střídy injektovaného signálu. Bylo zjištěno, že asymetrie střídy injektovaného signálu snižuje rozsah závěsu, avšak oscilátor je na tento jev méně citlivý, pokud jsou injektované pulzy delší v čase. To se shoduje s hypotézou tzv. \enquote{citlivého okna}, která je v této práci představena a intuitivně vysvětluje princip zavěšení injekcí zavěšených kruhových oscilátorů na jednoduchém modelu invertoru.

Pátá kapitola se zabývá návrhem injekcí zavěšeného kruhového oscilátoru řízeného pomocí závěsu zpoždění, který je určen pro konstrukci časově digitálního převodníku pro systém LIDAR s rozlišením 50 pikosekund. Návrh proběhl ve výrobní technologii ONK65, což je standardní 65nm CMOS technologie. Pátá kapitola vysvětluje důležitá návrhová rozhodnutí jako volbu frekvence kruhových oscilátorů (625 MHz) nebo počet jejich stupňů (16). Velká část kapitoly je také věnována rozboru vzorové architektury celého časově digitálního převodníku, protože ač je v této diplomové práci navrhována jen jeho část, pro návrháře dílčích obvodů je důležité rozumět tomu, jakou roli navrhované bloky v rámci systému splňují, aby mohl optimalizovat jejich klíčové parametry.

Samotný návrh na tranzistorové úrovni začal návrhem a optimalizací jednotlivých zpožďovacích buněk, z kterých se kruhový oscilátor skládá. Poté následoval návrh injekčního obvodu, jehož hlavním cílem bylo zachovat co nejvyšší rozsah zavěšení, ale zároveň neplýtvat energií, k čemuž byly využity poznatky ze čtvrté kapitoly, ve které byl injekcí zavěšený oscilátor modelován v programu Matlab Simulink. Dále se pátá kapitola věnuje návrhu závěsu zpoždění, který slouží k stabilizaci injekcí zavěšených oscilátorů vůči procesním, napěťovým nebo teplotním výchylkám. Obvody závěsu zpoždění byly rozšířeny o trimovací obvody, které umožňují kompenzovat chyby způsobené výrobním rozptylem.

Funkce navržených obvodů byla ověřena počítačovými simulacemi zohledňujícími procesní, napěťové a teplotní (PVT) extrémy. Až na jednu statisticky nepravděpodobnou a z hlediska celkové výtěžnosti zanedbatelnou kombinaci těchto extrémů bylo prokázáno, že jsou navržené injekcí zavěšené kruhové oscilátory schopny záchytu na cílovou frekvenci 625 MHz i v nepříznivých podmínkách. Výše zmíněná problematická kombinace PVT extrémů byla analyzována a potenciální řešení společně s jejich případnými nevýhodami byla diskutována. Simulace zohledňující šum navržených obvodů dále potvrzují, že fázový neklid zavěšeného oscilátoru je až o polovinu nižší oproti volnoběžnému stavu, což je v souladu s teoretickými poznatky. Počítačové simulace také dokládají, že střední hodnota časového rozlišení, které navržené oscilátory poskytují, je skutečně specifikovaných 50 pikosekund, přičemž směrodatná odchylka tohoto časového rozlišení je cca 17 \%, což je dáno zejména vlivem nesouběhu jednotlivých stupňů oscilátoru. Dosažení lepšího souběhu a přesnosti časového rozlišení by bylo možné pouze za cenu zvýšení velikosti jednotlivých stupňů, a tudíž i zvýšení jejich parazitních kapacit, navazujícího snížení rychlosti oscilátorů, nutnému navýšení proudové spotřeby pro kompenzaci snížené rychlosti a v konečném důsledku nezanedbatelného zhoršení výtěžnosti v případě \enquote{pomalých} procesních odchylek. Toto byl jen jeden z mnoha kompromisů učiněných během návrhu, jež dokládají, že specifikace rozlišení 50 pikosekund je na hranici praktické dosažitelnosti pro danou výrobní technologii. Pátá kapitola je zakončena krátkou diskuzí několika alternativních řešení, které byly objeveny během návrhu a které by mohly přispět k řešení některých výše zmíněných problémů nebo k odstranění jednoho z trimovacích kroků.