可配置门控采样光子计数读出电路设计

摘要

随着科学技术的飞速发展，人类探索并研究“肉眼不可见事物”的能力逐步提升，其中单光子检测计数成像便是其中一个典型范例，随着半导体材料、器件和电路的不断革新，大幅提高了微光探测技术的检测能力并拓宽了其应用范围。其中，SiC APD探测器凭借对微弱紫外光的灵敏感应，在高压设备故障检测应用中发挥不可替代的作用，但是随着APD阵列规模逐渐增大，像元串扰、寄生效应和噪声干扰等非理想因素影响逐渐增大，使得大阵列ROIC读出电路的设计和优化面临更大的挑战。 为了实现不同光强条件下的高探测率，本文设计了一种探测模式可配置的数字式光子计数读出电路，可与1×8线阵型SiC APD互联集成。首先，本论文分析并阐述了影响光子探测率的各种因素，在固定门控探测模式的基础上，基于时间和空间耦合的想法，提出了一种互补门控探测模式，控制原有两像素交替工作，等效为一个新的单像素，以确保强光条件下的高探测率，并完成在大阵列系统下相应的工作时序设计和ROIC读出电路的设计。其次，为满足各模块对时钟频率的不同需求，设计快速锁定的锁频环时钟电路，产生占空比50%，频率为50MHz的时钟，且经多分频处理后供ROIC使用。在此基础上，完成ROIC模块电路设计和整体系统的版图布局。最后，根据芯片的可测性设计要求，完成ROIC整体系统的电路和版图设计。 本文设计的ROIC读出电路采用TSMC0.18μm CMOS工艺制造，通过Cadence EDA工具进行系统电路前仿和关键模块电路后仿，并最终完成MPW流片和芯片测试。1×8阵列芯片版图面积为1576μm×996μm，系统采用1.8V和5V两种电源电压，其整体功耗为8.6mW。芯片测试结果表明，ROIC系统关键模块功能正常，在弱光条件下，即光子平均时间间隔远大于固定死区时间时，随着光强逐渐变弱，两种探测模式的探测率均变高，最终趋近100%；而在强光条件下，即光子平均时间间隔接近甚至小于固定死区时间时，固定门控探测模式的探测率逐渐跌落至50%以下，但互补门控探测模式的电路探测率依然可以保持80%以上。最后，本文完成了单波长紫外光检测成像定位的功能验证，满足电晕检测的应用需求。

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