本文關(guān)鍵詞：蓋革模式雪崩光電二極管淬滅電路設(shè)計(jì)

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【摘要】：工作在蓋革模式下的雪崩光電二極管(Avalanche Photodiode, APD)又被稱作單光子雪崩二極管(Single Photon Avalanche Photo Diode, SPAD),具有響應(yīng)速度快、體積小、質(zhì)量輕、功耗低等特點(diǎn),已經(jīng)成為高性能單光子探測系統(tǒng)的首選。單光子探測技術(shù)正在向集成化、微型化、陣列化、高靈敏度的方向發(fā)展,淬滅電路作為SPAD探測器與讀出電路(Readout Integrated Circuit,ROIC)的接口電路對單光子探測系統(tǒng)的性能起著決定性的作用。本文針對陣列型SPAD探測系統(tǒng)的需求,提出了一種基于寄生電容感應(yīng)的淬滅電路設(shè)計(jì)。淬滅電路利用SPAD的寄生電容感應(yīng)雪崩電流,采用單個(gè)NMOS對SPAD陽極電壓進(jìn)行檢測,提高了感應(yīng)和檢測速度,降低了電路的面積和功耗,同時(shí)采用門控工作模式限制蓋革模式的工作時(shí)間,提高電容檢測的可靠性。針對SPAD陣列擊穿電壓不均勻的特點(diǎn),本文設(shè)計(jì)了一種SPAD的偏置電壓調(diào)節(jié)電路,利用數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)產(chǎn)生不同的電壓,對淬滅電路在SPAD陽極的復(fù)位電壓進(jìn)行調(diào)節(jié),降低陣列式應(yīng)用中SPAD擊穿電壓不均勻的影響。在TSMC 0.35μm CMOS工藝條件下,本文完成了淬滅電路和偏置電壓調(diào)節(jié)電路的仿真設(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。測試結(jié)果顯示,本文設(shè)計(jì)的淬滅電路可以實(shí)現(xiàn)感應(yīng)并淬滅雪崩電流的功能,淬滅電路的復(fù)位時(shí)間3ns,淬滅時(shí)間3ns。偏置電壓調(diào)節(jié)電路功能正常,可以對SPAD的陽極復(fù)位電壓進(jìn)行調(diào)節(jié),常溫條件下對電阻的工藝漂移進(jìn)行修調(diào)后,測試的電壓調(diào)節(jié)范圍為225mV-569mV,調(diào)節(jié)位數(shù)2bit。
【關(guān)鍵詞】：淬滅電路 單光子雪崩光電二極管 蓋革模式 偏置電壓調(diào)節(jié)
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TN312.7
【目錄】：

• 摘要5-6
• Abstract6-9
• 第一章 緒論9-15
• 1.1 研究背景與意義9-10
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢10-12
• 1.3 研究內(nèi)容與設(shè)計(jì)指標(biāo)12-14
• 1.3.1 研究內(nèi)容12
• 1.3.2 設(shè)計(jì)指標(biāo)12-14
• 1.4 論文組織結(jié)構(gòu)14-15
• 第二章 SPAD傳感檢測基礎(chǔ)15-29
• 2.1 SPAD器件原理15-18
• 2.1.1 SPAD雪崩倍增15-16
• 2.1.2 SPAD分類16-17
• 2.1.3 SPAD特性參數(shù)17-18
• 2.2 SPAD器件模型與仿真18-23
• 2.2.1 SPAD的基本模型19-20
• 2.2.2 SPAD的改進(jìn)模型與仿真20-23
• 2.3 SPAD淬滅原理23-25
• 2.4 SPAD陣列式淬滅電路常見結(jié)構(gòu)25-28
• 2.4.1 MOS電阻感應(yīng)25-27
• 2.4.2 寄生電容感應(yīng)27-28
• 2.5 本章小結(jié)28-29
• 第三章 集成淬滅電路設(shè)計(jì)29-47
• 3.1 大陣列淬滅電路基本要求29-31
• 3.1.1 SPAD陣列混合集成29-30
• 3.1.2 淬滅電路基本要求30-31
• 3.2 淬滅電路關(guān)鍵參數(shù)指標(biāo)31-34
• 3.2.1 檢測延遲31-32
• 3.2.2 動(dòng)態(tài)功耗32-33
• 3.2.3 時(shí)間抖動(dòng)33-34
• 3.3 電容感應(yīng)淬滅電路設(shè)計(jì)34-42
• 3.3.1 電容檢測原理34-37
• 3.3.2 淬滅電路基本架構(gòu)37-38
• 3.3.3 電容感應(yīng)淬滅電路設(shè)計(jì)38-42
• 3.4 仿真結(jié)果與分析42-45
• 3.5 版圖設(shè)計(jì)與后仿驗(yàn)證45-46
• 3.7 本章小結(jié)46-47
• 第四章 SPAD偏置電壓調(diào)節(jié)電路設(shè)計(jì)47-67
• 4.1 SPAD擊穿電壓非均勻性的影響47-48
• 4.2 SPAD偏置電壓調(diào)節(jié)電路設(shè)計(jì)48-62
• 4.2.1 偏置電壓調(diào)節(jié)的基本架構(gòu)48-49
• 4.2.2 淬滅電路的改進(jìn)與仿真49-52
• 4.2.3 DAC的設(shè)計(jì)與仿真52-56
• 4.2.4 DAC輸出Buffer的設(shè)計(jì)與仿真56-60
• 4.2.5 IN點(diǎn)輸出Buffer的設(shè)計(jì)60-61
• 4.2.6 可調(diào)偏置電路的系統(tǒng)仿真61-62
• 4.3 版圖與后仿真62-65
• 4.3.1 版圖設(shè)計(jì)62-64
• 4.3.2 后仿真64-65
• 4.4 本章小結(jié)65-67
• 第五章 測試與分析67-79
• 5.1 測試環(huán)境與平臺67-69
• 5.2 集成淬滅電路的測試與分析69-75
• 5.2.1 未接探測器測試69-73
• 5.2.2 接傳感器測試73-74
• 5.2.3 測試總結(jié)74-75
• 5.3 偏置電壓調(diào)節(jié)芯片的測試與分析75-77
• 5.4 本章小結(jié)77-79
• 第六章 總結(jié)與展望79-81
• 6.1 論文總結(jié)79-80
• 6.2 研究展望80-81
• 參考文獻(xiàn)81-85
• 致謝85-87
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文87

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：1123092