蓋革模式雪崩光電二極管陣列讀出電路的研究與實現(xiàn).pdf

1、工作在蓋革模式下的高增益雪崩光電二極管，具備對近紅外激光的單光子探測能力，已在三維激光雷達成像、空間探測、地形探測以及軍事偵察監(jiān)視、預(yù)警探測等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。特別是隨著陣列式探測應(yīng)用的不斷擴展，以及對檢測量程和分辨率等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)要求的不斷提高，紅外單光子陣列探測技術(shù)的持續(xù)深入發(fā)展面臨著越來越大的挑戰(zhàn)。
　　本文針對計時型陣列SPAD對應(yīng)用讀出電路的需求，以解決大陣列應(yīng)用中功耗、面積、噪聲和非線性寄生效應(yīng)對系統(tǒng)性能的制約為主

2、要目標(biāo)。論文建立了一種SPAD等效模型，研究了SPAD雪崩信號快速檢測與淬滅、光子飛行時間高精度與寬量程量化等關(guān)鍵技術(shù)，基于TSMC0.35μm Mix3.3V/5V CMOS工藝，設(shè)計并實現(xiàn)了一款基于光子飛行時間測量的數(shù)字式陣列型讀出電路芯片，像素面積100μm×100μm。芯片采用凸點混合封裝工藝實現(xiàn)與InGaAs SPAD陣列的互連，利用建立的硬件、軟件測試平臺，完成對讀出電路的測試。測試結(jié)果與理論分析和設(shè)計基本相符，且電路主要性

3、能達到預(yù)期指標(biāo)要求。研制的SPAD陣列讀出電路在遠(yuǎn)距離輪廓成像、空間碎片探測等領(lǐng)域獲得了初步的實際應(yīng)用。論文的主要研究工作如下:
　　1、基于單光子雪崩光電二極管的物理機制與輸出特性，提出了一種采用等效電路與Verilog-A描述的混合建模方法，建立了APD探測器在全工作區(qū)內(nèi)的SPICE模型，可用于APD器件在不同模式下的交直流和瞬態(tài)仿真，不但解決了多模式工作區(qū)擬合精度控制的難題，同時還利用偽最大最小函數(shù)的二次嵌套式擬合方法，解決

4、了分段曲線擬合中邊界局部區(qū)域的斷點問題，有效消除了因不收斂而導(dǎo)致的異常中斷，提高了模型應(yīng)用的可靠性，在整個工作區(qū)域內(nèi)擬合曲線與測試數(shù)據(jù)的方差為4.367×10-10，模型的擬合精度可達99％。
　　2、對蓋革模式APD在瞬態(tài)檢測過程中感應(yīng)雪崩電流的非線性特性進行了相關(guān)理論研究，在此基礎(chǔ)上提出了一種采用電阻低壓檢測并利用雪崩信號的快速響應(yīng)特性而實現(xiàn)的非線性抑制方法。為降低像素面積，實際接口電路中采用MOS電阻以感應(yīng)并轉(zhuǎn)換雪崩電流，采

5、用一種基于失調(diào)控制的翻轉(zhuǎn)閡值為340mV差分比較電路以檢測判別雪崩信號，上升延遲為0.2ns，淬滅時間2.16ns，檢測延遲1.62ns。
　　3、為限制像素功耗和面積，提出了一種利用SPAD結(jié)電容感應(yīng)電流實現(xiàn)雪崩檢測的接口電路方案，相比同等工作條件下的電阻型電流感應(yīng)接口電路功耗節(jié)省的30％以上，同時通過電路時序控制，避免了因漏電引起電容檢測誤觸發(fā)的可能性，確保實際應(yīng)用的可靠性。通過像素面積及系統(tǒng)功耗控制，基本解決了大陣列應(yīng)用中由

6、于較大瞬態(tài)功耗而帶來的探測器供電電壓跌落問題，改善了陣列系統(tǒng)性能。
　　4、讀出電路采用低段TDC與全局時鐘共享、高段TDC像素獨享的系統(tǒng)架構(gòu)，提出了一種基于數(shù)字延時環(huán)(DLL)壓控環(huán)振時鐘驅(qū)動的兩段式TDC設(shè)計，通過閉環(huán)反饋控制提供穩(wěn)定分相時鐘、消除時鐘抖動積累，同時采用門控環(huán)振控制技術(shù)消除隨機初相誤差;采用低建立保持時間的TSPC DFF以控制面積、減小鎖存誤碼;配合H時鐘樹布線結(jié)構(gòu)控制像素時鐘、控制信號信號的延時一致性。研制