单光子探测技术是一种探测单光子信号的有效技术,单光子探测技术被广泛应用到量子力学、航空航天、激光测距、生物扩散层析成像等研究领域。单光子探测器重点应用在对微弱光电信号的探测,处理高频激光器发射与接收光子之间的时间间隔,并在周期性的光子信号之间建立光子探测与时间的函数关系。单光子探测器主要包括激光发射装置、单光子探测器件、时间测量模块以及模数转换模块。其中时间测量模块可以有效探测光子发射与被接收之间的时间间隔,其性能的优劣对单光子探测系统的性能具有决定性的作用,如何提高时间测量模块的时间分辨率、动态测量范围以及减小功耗是当今研究的热点课题。基于激光测距的研究背景,本文重点对应用于单光子探测器的时间幅度转换器进行研究分析,并根据实际需要选定以单光子雪崩光电二极管作为探测器件。针对时间幅度转换器的时间分辨率与动态测量范围设计要求,对TAC系统内单元模块进行分析与设计,主要研究工作如下:1、在单光子探测器的读出电路中,应用跨阻放大器将探测器探测到的微弱的光信号转变为电信号,通过时间幅度转换器将所接收到的光电信号转换为时间信号,最终通过时间距离公式获得所探测物体的近距离信息。2、为了实现较高的时间分辨率和动态测量范围,本文改进了一种启停型时间幅度转换器,主要由全差分运算放大器、带隙基准电压源、带隙基准电流源以及电压电流转换电路组成。对运算放大器进行优化设计,实现了较高增益达101d B、摆幅达-1.075～2.457 V、电源电压抑制比达104.07 d B。对带隙基准源进行优化设计,仿真得到其温漂系数为7.26 ppm/℃,提高其电源电压抑制比到104 d B,保证为电路提供稳定的电压与电流。同时设计了控制逻辑时序电路,来为电路提供时钟脉冲信号,控制积分电路的积分时间。3、应用Cadence系列仿真软件,基于韩国Dong Bu 0.18μm CMOS工艺,对TAC相关电路进行仿真设计,通过计算其时间分辨率小于50 ps,动态范围可达ns量级。结果表明通过改进电路结构,提高了关键电路的性能指标,经仿真验证可有效提高TAC的时间分辨率和动态测量范围。为对应电路设计绘制版图,TAC系统的芯片版图面积为870×480μm~2。