面向雪崩光電二極管的光子計數(shù)讀出電路設計.pdf

1、在微光探測成像技術(shù)領域，基于單光子APD響應的光子計數(shù)技術(shù)近年來得到了長足的發(fā)展，單光子計數(shù)檢測以其高靈敏度、高信噪比和時間穩(wěn)定性好等特點，在激光雷達、光譜測量、放射探測和量子秘鑰分配等諸多領域獲得了廣泛的應用。但隨著APD陣列規(guī)模、探測率和檢測靈敏度等指標的不斷提高，APD陣列的非均勻性、寄生效應和噪聲干擾等非理想因素對電路的負面影響越來越嚴重，與之相配套的ROIC讀出電路的復雜度和成本也急劇增加，嚴重限制了大規(guī)模APD陣列的應用。<

2、br>　　本文設計了一種基于被動采樣模式的數(shù)字式光子計數(shù)讀出電路，可與8×1GM-APD陣列混合集成，實現(xiàn)對寬動態(tài)范圍分布的光子計數(shù)。論文首先對電暈放電光子檢測原理和光子計數(shù)檢測技術(shù)進行闡述，為實現(xiàn)系統(tǒng)探測率與量程、功耗之間的平衡，綜合考慮設計指標需求和現(xiàn)有各類系統(tǒng)架構(gòu)的特點，提出了一種針對隨機光子檢測應用的被動式采樣系統(tǒng)架構(gòu)，并完成了系統(tǒng)工作時序和工作模式設計。其次，采用Modelsim仿真平臺完成了系統(tǒng)原型方案的可行性驗證。在此基礎

3、上，完成模塊電路設計和像素陣列布局。最后，結(jié)合芯片可測性設計要求，完成了完整ROIC系統(tǒng)的電路和版圖設計。
　　采用GSMC0.18μm CMOS工藝并通過cadence EDA工具進行芯片電路前仿和關鍵模塊電路后仿，完成MPW芯片制備和測試驗證。本文所設計的讀出電路工作電壓為1.8V/5V，分別為數(shù)字電路和模擬接口電路供電，陣列規(guī)模8×1，像素面積60μm×85μm。芯片測試結(jié)果表明，ROIC系統(tǒng)各模塊功能正常，系統(tǒng)的一致性達到