阵列读出电路高PSR模拟前端设计

摘要

激光三维成像技术目前已广泛应用于地形测绘、构建虚拟环境、城市建模、军事侦察等领域。车载三维激光成像雷达是ADAS的核心部件，可实现远距离测距、自动导航和无人驾驶等功能。雪崩光电二极管（Avalanche Photodiode，APD）阵列探测器属于激光雷达的关键器件，通常由APD阵列和相应的读出电路（Readout IC）组成。随着应用需求的提升，阵列规模逐渐变大，对微弱信号检测能力的要求也越来越高，大规模阵列系统的功耗、面积、隔离度等问题也越来越突出。为了配合高性能APD的使用，阵列读出电路的设计面临的挑战日益增大。 本文首先介绍了激光三维成像的工作原理以及不同的三维成像技术方案、雪崩光电二极管和阵列读出电路的基础理论。随后介绍了阵列读出电路的设计，针对出现的阵列间串扰的问题进行了分析，设计了电源抑制比增强电路以改善阵列读出电路的隔离度。带电源抑制比增强电路的跨阻放大器在低频时候增益为-42dB，带宽范围内最高增益为-7dB，明显改善了跨阻放大器的电源抑制比性能。随后，由于电容反馈型跨阻放大器的电源抑制比性能在低频时候优于电阻反馈型跨阻放大器，设计了一款适用于阵列的电容反馈型跨阻放大器，并对其进行流片验证，测得带宽为89.35MHz。 此外，针对于大光敏面APD线性阵列的模拟前端读出电路系统，采用无源反馈补偿以及有源前馈补偿分别引入零点的结构实现了高增益、高带宽跨阻放大器的设计，并进行流片验证。仿真结果表明所设计的跨阻放大器跨阻增益为104.7dBΩ，带宽为198.8MHz，等效输入噪声电流为3.65pA/Hz，低频电源抑制比为-57.8dB，全带宽范围内电源抑制比低于-10.6dB。 最后，针对四象限探测器的模拟前端读出电路系统，采用了跨阻放大器级联比例放大器的结构实现了高增益前置放大器的设计，并进行流片验证。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 选题依据和研究意义

1.2 国内外研究现状和发展趋势

1.3 本文的结构安排

第二章 APD阵列读出电路的系统方案及基础理论

2.1 激光三维成像工作原理与方案

2.1.1 激光测距工作原理

2.1.2 三维成像技术

2.2 雪崩光电二极管的基本原理

2.2.1 雪崩光电二极管的工作模式

2.2.2 雪崩光电二极管的等效模型

2.3 读出电路的基本理论

2.3.1 读出电路的性能参数

2.3.2 读出电路的结构

2.4 跨阻放大器的基本理论

2.4.1 跨阻放大器的指标参数

2.4.2 跨阻放大器的原理分析

2.5 本章小结

第三章 高电源抑制比阵列读出电路的设计

3.1 电源抑制比增强电路的设计

3.1.1 工作原理

3.1.2 小信号分析

3.1.3 仿真结果与分析

3.2 CTIA的设计

3.2.1 CTIA的拓扑结构

3.2.2 CTIA的电路原理分析

3.2.3 CTIA的噪声分析

3.2.4 CTIA的仿真结果与分析

3.2.5 版图设计

3.2.6 CTIA的测试与分析

3.3 本章小结

第四章 用于线性阵列的模拟前端读出电路设计

4.1 系统结构

4.2 跨阻放大器的设计

4.2.1 设计指标与分析

4.2.2 电压放大器设计

4.2.3 噪声性能分析

4.3 单转双电路（SDC）的设计

4.4 输出缓冲级（BUFFER）电路的设计

4.5 仿真结果与分析

4.5.1 直流特性

4.5.2 交流特性

4.5.3 瞬态特性

4.5.4 噪声特性

4.5.5 电源抑制比特性

4.6 版图实现

4.7 本章小结

第五章 用于四象限探测器的模拟前端读出电路设计

5.1 四象限探测器基本工作原理

5.2 前置放大器电路原理分析

5.3 偏置电流产生电路原理分析

5.4 前置放大器的仿真结果与分析

5.4.1 直流特性

5.4.2 交流特性

5.4.3 瞬态特性

5.4.4 噪声特性

5.5.1 前置放大器的版图

5.5.2 芯片实物图

5.6 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 工作内容总结

6.2 研究展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果