单光子APD阵列探测器读出电路的关键技术研究

摘要

近年来，近距离激光3D成像系统对测距精度和电路面积及功耗的要求日益提高。工作在盖革模式的雪崩光电二极管（Avalanche Photodiode，APD）能够快速响应单个光子（又称单光子APD，Single-photon APD），而且其对应的读出电路具有低噪声的特点，因而在高精度大规模阵列探测中极具优势。
　　本研究基于单光子APD阵列探测器，分别设计了3D成像中激光测距的两种前端单元读出电路方案。根据飞行时间（Time-of-flight，TOF）测距原理，单元电路主要由有源淬火电路（Active Quenching Circuit，AQC）、时间数字转换器（Time-to-digital Converter，TDC）和相应的时序控制电路组成。两种设计中， AQC电路均采用主动方式在1 ns内实现了对APD的淬火，并实现了淬火后的延时3.5~5 ns可调和对APD的自动复位功能。在第一种电路设计中，TDC电路采用粗细结合的两段式计数方式，利用内插技术成功实现了时钟频率和时间分辨率间的折中。时钟频率降为1 GHz，是常规设计频率的1/5，时间分辨率为75 ps，对应的测距精度为1.125 cm，具有高精度的特点。其电路面积为95×95μm2，功耗1.08 mW。在第二种电路设计中，在原有电路设计的基础上对电路结构进行了提升与优化。其时钟频率为500MHz，时间分辨率为200ps，对应的测距精度为3cm。电路面积小于50×95μm2，功耗为0.89mW，具有小面积和低功耗的优势。采用SMIC0.18μm1.8V CMOS工艺完成设计，版图后仿真结果表明：两种电路方案均满足了各自的设计要求，但两种TDC模块均存在一定程度的时间抖动，论文最后对其原因进行了分析，并给出了相应的解决方案。

目录

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第一章绪论

1.1论文的研究背景

1.2单光子APD探测器及读出电路概述

1.3论文的选题意义和内容

第二章单光子APD阵列探测器单元读出电路架构

2.1单光子APD阵列探测器激光测距系统指标分析

2.2单光子APD阵列探测器单元读出电路架构

2.3单光子APD阵列探测器读出电路时序

2.4本章小结

第三章高精度单元读出电路的设计与仿真

3.1 AQC电路的设计与仿真

3.2粗TDC电路的设计与仿真

3.3细TDC电路的设计与仿真

3.4本章小结

第四章小型化单元读出电路的优化与仿真

4.1单元读出电路架构的优化

4.2粗TDC的优化与仿真

4.3细TDC的优化与仿真

4.4本章小结

第五章版图设计与后仿真分析

5.1版图设计

5.2版图的后仿真

5.3单元读出电路的改进方案

5.4本章小结

第六章总结与展望

6.1总结

6.2展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢