大規(guī)模陣列SPAD淬滅電路設(shè)計(jì).pdf

1、單光子雪崩光電二極管(Single Photo Avalanche Diode，SPAD)探測器的快速傳感和淬滅是實(shí)現(xiàn)單光子探測的關(guān)鍵前提條件。隨著SPAD研究的不斷發(fā)展，器件陣列規(guī)模不斷擴(kuò)大，使得與之匹配的淬滅電路設(shè)計(jì)難度加大。而淬滅電路性能的優(yōu)劣直接影響著探測系統(tǒng)的整體性能。本文針對應(yīng)用于大規(guī)模陣列SPAD探測器的淬滅電路進(jìn)行了深入地研究。
　　本文在面積和功耗嚴(yán)格約束的條件下，提出了兩種應(yīng)用于大規(guī)模陣列SPAD的淬滅電路設(shè)計(jì)

2、:電阻感應(yīng)淬滅電路和電容感應(yīng)淬滅電路。兩種電路采用相同的結(jié)構(gòu)框架，結(jié)合主動、門控兩種淬滅方式，通過電阻或電容感應(yīng)雪崩電流。電阻感應(yīng)淬滅電路采用基于失調(diào)控制的差分放大低閾值檢測電路，打破傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中淬滅電路的檢測閾值必須大于MOS管開啟電壓的約束，實(shí)現(xiàn)對雪崩電流的快速檢測。電容感應(yīng)淬滅電路采用SPAD寄生電容感應(yīng)雪崩電流，極大程度地縮減了版圖面積;同時采用反相器作為檢測電路，加快了淬滅過程，降低了系統(tǒng)功耗。
　　兩種淬滅電路都采用TS

3、MC0.35μm CMOS工藝完成仿真設(shè)計(jì)和流片驗(yàn)證。兩者后仿真結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，可以檢測低至200μA的雪崩電流，在2ns內(nèi)實(shí)現(xiàn)復(fù)位，并在5ns內(nèi)輸出單光子響應(yīng)脈沖供后級讀出電路處理。該結(jié)果表明，與國內(nèi)外現(xiàn)有研究成果相比，本文設(shè)計(jì)的淬滅電路在復(fù)位和淬滅時間方面具有一定的優(yōu)勢。兩種電路分別通過8×8和64×64陣列規(guī)模的讀出電路系統(tǒng)進(jìn)行流片驗(yàn)證。芯片測試結(jié)果表明，兩種淬滅電路都可以實(shí)現(xiàn)感應(yīng)并淬滅雪崩電流等功能。但是由于大陣列系統(tǒng)版