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在微光探测成像技术领域,基于单光子APD响应的光子计数技术近年来得到了长足的发展,单光子计数检测以其高灵敏度、高信噪比和时间稳定性好等特点,在激光雷达、光谱测量、放射探测和量子秘钥分配等诸多领域获得了广泛的应用。但随着APD阵列规模、探测率和检测灵敏度等指标的不断提高,APD阵列的非均匀性、寄生效应和噪声干扰等非理想因素对电路的负面影响越来越严重,与之相配套的ROIC读出电路的复杂度和成本也急剧增加,严重限制了大规模APD阵列的应用。本文设计了一种基于被动采样模式的数字式光子计数读出电路,可与8×1 GM-APD阵列混合集成,实现对宽动态范围分布的光子计数。论文首先对电晕放电光子检测原理和光子计数检测技术进行阐述,为实现系统探测率与量程、功耗之间的平衡,综合考虑设计指标需求和现有各类系统架构的特点,提出了一种针对随机光子检测应用的被动式采样系统架构,并完成了系统工作时序和工作模式设计。其次,采用Modelsim仿真平台完成了系统原型方案的可行性验证。在此基础上,完成模块电路设计和像素阵列布局。最后,结合芯片可测性设计要求,完成了完整ROIC系统的电路和版图设计。采用GSMC 0.18μm CMOS工艺并通过cadence EDA工具进行芯片电路前仿和关键模块电路后仿,完成MPW芯片制备和测试验证。本文所设计的读出电路工作电压为1.8V/5V,分别为数字电路和模拟接口电路供电,阵列规模8X1,像素面积60μm×85μm。芯片测试结果表明,ROIC系统各模块功能正常,系统的一致性达到90%以上,在不同光强环境下ROIC探测率与光子密度呈近似分段反比变化关系,通过调节死区时间的大小设置能够明显改善ROIC在不同光强应用场景的探测率,在弱光条件下系统最佳探测率可达100%。基于GM-APD的光子计数读出电路系统方案切实可行,满足微光传感检测应用需求。