结合高分辨率TDC的单光子探测系统设计

摘要

针对时间数字转换器(time-to-digital converter,TDC)的时间分辨率和测量误差相互制约,单光子探测系统工作频率低、测量死时间长等问题,设计了一款用于荧光寿命成像的高速单光子探测系统.该系统集成了一个6×6单光子雪崩二极管(single photon avalanche diode,SPAD)阵列和一个两级结构的TDC.其中,SPAD之间相互并联以增大感光面积;淬灭电路自动控制两条放电支路,减小测量死时间的同时降低了后脉冲效应;TDC采用两级结构同时实现了高分辨率和大动态范围,其中第2级TDC采用三通道游标结构有效降低了测量误差;存储器将时间测量结果暂存在对应的地址中,测量结束后由串口电路按地址顺序读出到上位机中处理.该系统基于TSMC 0.18μm CMOS工艺仿真验证,芯片整体面积为2800μm×1800μm.仿真结果表明:SPAD的击穿电压约为11.3 V,雪崩电流约为10-3 A,淬灭电路的死时间约为40 ns;TDC的时间分辨率为30 ps,动态范围为241 ns;整个系统在526 MHz时钟频率下对两个荧光信号进行检测,测量误差均小于10 ps.