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单光子APD阵列探测器读出电路的关键技术研究

赵佳姮  
【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。本文基于单光子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95×95μm~2,功耗1.08 m W。在第二种电路设计中,本文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500 MHz,时间分辨率为200 ps,对应的测距精度为3 cm。电路面积小于50×95μm~2,功耗为0.89 mW,具有小面积和低功耗的优势。本课题采用SMIC 0.18μm 1.8 V 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。


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