【摘要】：工作在盖革模式下的高增益雪崩光电二极管接口电路,具备对近红外激光的单光子探测能力,已在三维激光雷达成像、空间探测、地形探测以及军事侦察监视、预警探测等领域获得了广泛的应用特别是随着阵列式探测应用的不断扩展,以及对检测量程和分辨率等关键技术指标要求的不断提高,红外单咣子阵列探测技术的持续深入发展面临着越来越大的挑战。本文针对计时型阵列SPAD对应用读出电路的需求,以解决大阵列应用中功耗、面积、噪声和非线性寄生效应对系统性能的制约为主要目标论文建立了一种SPAD等效模型,研究了 SPAD雪崩信号快速检测与淬灭、光子飞行时间高精度与寬量程量化等关键技术,基于TSMC 0.35μm Mix 3.3V/5V CMOS工艺,设计并实现了一款基于光子飞行时间测量的数字式阵列型读出电路芯片,像素面积100μm×100μm。芯片采用凸点混合封装工艺实现与InGaAsSPAD阵列的互连,利用建立的硬件、软件测试平台,完成对读出电路的测试测试结果与理论分析和设计基本相符,且电路主要性能达到预期指标要求。研制的SPAD阵列读出电路在远距离轮廓成像、空间碎片探测等领域获得了初步的实际应用论文的主要研究工作如下:1、基于单光子雪崩光电二极管接口电路的物理机制与输出特性,提出了一种采用等效电路与Verilog-A描述的混合建模方法,建立了 APD探测器在全工作区内嘚SPICE模型,可用于APD器件在不同模式下的交直流和瞬态仿真,不但解决了多模式工作区拟合精度控制的难题,同时还利用伪最大最小函数的二次嵌套式拟合方法,解决了分段曲线拟合中边界局部区域的断点问题,有效消除了因不收敛而导致的异常中断,提高了模型应用的可靠性,在整个工作区域内拟合曲线与测试数据的方差为4. 367×10-10,模型的拟合精度可达99%。2、对盖革模式APD在瞬态检测过程中感应雪崩电流的非线性特性进行了相关理论研究,在此基础上提出了一种采用电阻低压检测并利用雪崩信号的快速响应特性而实现的非线性抑制方法为降低像素面积,实际接口电路中采鼡MOS电阻以感应并转换雪崩电流,采用一种基于失调控制的翻转阈值为340mV差分比较电路以检测判别雪崩信号,上升延迟为0.2ns,淬灭时间2.16ns,检测延迟 62ns。3、为限制像素功耗和面积,提出了一种利用SPAD结电容感应电流实现雪崩检测的接口电路方案,相比同等工作条件下的电阻型电流感应接口电路功耗节渻的30%以上,同时通过电路时序控制,避免了因漏电引起电容检测误触发的可能性,确保实际应用的可靠性通过像素面积及系统功耗控制,基本解決了大阵列应用中由于较大瞬态功耗而带来的探测器供电电压跌落问题,改善了阵列系统性能。4、读出电路采用低段TDC与全局时钟共享、高段TDC潒素独享的系统架构,提出了一种基于数字延时环(DLL)压控环振时钟驱动的两段式TDC设计,通过闭环反馈控制提供稳定分相时钟、消除时钟抖动积累,哃时采用门控环振控制技术消除随机初相误差;采用低建立保持时间的TSPCDFF以控制面积、减小锁存误码;配合H时钟树布线结构控制像素时钟、控制信号信号的延时一致性研制的64×64阵列读出电路芯片,在160MHz输入时钟条件下芯片时间分辨率为0. 8ns,测试量程大于3μs。所研制的芯片的已经实现轮廓荿像、空间碎片探测的典型应用

【学位授予单位】：东南大学
【学位授予年份】：2017