應(yīng)用于單光子計數(shù)探測的SPAD接口電路設(shè)計.pdf

1、雪崩光電二極管(Avalanche Photodiode，APD)工作在蓋革模式下又被稱作單光子雪崩二極管(Single Photon Avalanche Diode，SPAD)，此條件下探測器具有高增益、低功耗、小體積等特點，可以快速分辨并響應(yīng)單光子信號，現(xiàn)已被廣泛地應(yīng)用在單光子探測系統(tǒng)中。目前，單光子探測技術(shù)正在向集成大陣列方向發(fā)展，陣列的一致性探測成為重要性能指標(biāo)。對于SPAD陣列擊穿電壓的非均勻性現(xiàn)象，淬滅接口電路的設(shè)計對單光子

2、陣列探測系統(tǒng)的性能起著關(guān)鍵作用，同樣也成為SPAD探測器與讀出電路(Readout Integrated Circuit，ROIC)之間的重要橋梁。
　　本文研究了SPAD的探測原理與反向擊穿電壓的離散性問題，并針對大陣列中SPAD雪崩擊穿電壓非均勻性的特征，設(shè)計了一種SPAD偏壓可微調(diào)的淬滅接口電路。利用4bit的數(shù)模轉(zhuǎn)換器(Digital-to-Analog Converter，DAC)輸出可變的模擬電壓，對SPAD器件的陽極

3、復(fù)位電壓進行動態(tài)調(diào)節(jié)，達(dá)到器件過偏壓均勻一致的效果，從而有效抑制了大陣列系統(tǒng)中SPAD擊穿電壓不均勻的影響，實現(xiàn)探測增益一致性檢測。接口電路利用SPAD器件結(jié)電容以及陽極其他寄生電容感應(yīng)雪崩電流，進而完成狀態(tài)檢測，響應(yīng)速度足夠滿足弱光采樣檢測的需要。同時采用門控工作方式控制蓋革模式SPAD的單幀最大工作時間以及相鄰光子檢測的最小死區(qū)時間，保證了電路工作的可靠性。
　　在GSMC0.18μm CMOS工藝條件下，本文完成了應(yīng)用于單光

4、子計數(shù)的SPAD偏壓可微調(diào)淬滅接口電路的設(shè)計，通過了仿真及流片驗證，前、后仿真結(jié)果均滿足設(shè)計指標(biāo)要求。芯片測試結(jié)果表明，本文設(shè)計的SPAD偏壓可微調(diào)的接口淬滅電路可以實現(xiàn)對光子信號的感應(yīng)以及對雪崩電流的淬滅功能，針對單像素SPAD接口電路關(guān)鍵參數(shù)的測試結(jié)果為:淬滅時間≤3ns，復(fù)位調(diào)節(jié)時間約為25ns。4bit DAC輸出的電壓范圍為0.014V～1.227V，平均調(diào)節(jié)步長為80.57mV。主要設(shè)計指標(biāo)達(dá)到預(yù)期設(shè)計要求，為解決SPAD陣