盖革模式雪崩光电二极管淬灭电路设计

发布时间：2017-10-31 17:46

  本文关键词：盖革模式雪崩光电二极管淬灭电路设计

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【摘要】：工作在盖革模式下的雪崩光电二极管(Avalanche Photodiode, APD)又被称作单光子雪崩二极管(Single Photon Avalanche Photo Diode, SPAD),具有响应速度快、体积小、质量轻、功耗低等特点,已经成为高性能单光子探测系统的首选。单光子探测技术正在向集成化、微型化、阵列化、高灵敏度的方向发展,淬灭电路作为SPAD探测器与读出电路(Readout Integrated Circuit,ROIC)的接口电路对单光子探测系统的性能起着决定性的作用。本文针对阵列型SPAD探测系统的需求,提出了一种基于寄生电容感应的淬灭电路设计。淬灭电路利用SPAD的寄生电容感应雪崩电流,采用单个NMOS对SPAD阳极电压进行检测,提高了感应和检测速度,降低了电路的面积和功耗,同时采用门控工作模式限制盖革模式的工作时间,提高电容检测的可靠性。针对SPAD阵列击穿电压不均匀的特点,本文设计了一种SPAD的偏置电压调节电路,利用数模转换器(DAC)产生不同的电压,对淬灭电路在SPAD阳极的复位电压进行调节,降低阵列式应用中SPAD击穿电压不均匀的影响。在TSMC 0.35μm CMOS工艺条件下,本文完成了淬灭电路和偏置电压调节电路的仿真设计和流片验证,两者后仿真结果均满足设计指标要求。测试结果显示,本文设计的淬灭电路可以实现感应并淬灭雪崩电流的功能,淬灭电路的复位时间3ns,淬灭时间3ns。偏置电压调节电路功能正常,可以对SPAD的阳极复位电压进行调节,常温条件下对电阻的工艺漂移进行修调后,测试的电压调节范围为225mV-569mV,调节位数2bit。
【关键词】：淬灭电路 单光子雪崩光电二极管 盖革模式 偏置电压调节
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN312.7
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-9
• 第一章 绪论9-15
• 1.1 研究背景与意义9-10
• 1.2 国内外研究现状与发展趋势10-12
• 1.3 研究内容与设计指标12-14
• 1.3.1 研究内容12
• 1.3.2 设计指标12-14
• 1.4 论文组织结构14-15
• 第二章 SPAD传感检测基础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分类16-17
• 2.1.3 SPAD特性参数17-18
• 2.2 SPAD器件模型与仿真18-23
• 2.2.1 SPAD的基本模型19-20
• 2.2.2 SPAD的改进模型与仿真20-23
• 2.3 SPAD淬灭原理23-25
• 2.4 SPAD阵列式淬灭电路常见结构25-28
• 2.4.1 MOS电阻感应25-27
• 2.4.2 寄生电容感应27-28
• 2.5 本章小结28-29
• 第三章 集成淬灭电路设计29-47
• 3.1 大阵列淬灭电路基本要求29-31
• 3.1.1 SPAD阵列混合集成29-30
• 3.1.2 淬灭电路基本要求30-31
• 3.2 淬灭电路关键参数指标31-34
• 3.2.1 检测延迟31-32
• 3.2.2 动态功耗32-33
• 3.2.3 时间抖动33-34
• 3.3 电容感应淬灭电路设计34-42
• 3.3.1 电容检测原理34-37
• 3.3.2 淬灭电路基本架构37-38
• 3.3.3 电容感应淬灭电路设计38-42
• 3.4 仿真结果与分析42-45
• 3.5 版图设计与后仿验证45-46
• 3.7 本章小结46-47
• 第四章 SPAD偏置电压调节电路设计47-67
• 4.1 SPAD击穿电压非均匀性的影响47-48
• 4.2 SPAD偏置电压调节电路设计48-62
• 4.2.1 偏置电压调节的基本架构48-49
• 4.2.2 淬灭电路的改进与仿真49-52
• 4.2.3 DAC的设计与仿真52-56
• 4.2.4 DAC输出Buffer的设计与仿真56-60
• 4.2.5 IN点输出Buffer的设计60-61
• 4.2.6 可调偏置电路的系统仿真61-62
• 4.3 版图与后仿真62-65
• 4.3.1 版图设计62-64
• 4.3.2 后仿真64-65
• 4.4 本章小结65-67
• 第五章 测试与分析67-79
• 5.1 测试环境与平台67-69
• 5.2 集成淬灭电路的测试与分析69-75
• 5.2.1 未接探测器测试69-73
• 5.2.2 接传感器测试73-74
• 5.2.3 测试总结74-75
• 5.3 偏置电压调节芯片的测试与分析75-77
• 5.4 本章小结77-79
• 第六章 总结与展望79-81
• 6.1 论文总结79-80
• 6.2 研究展望80-81
• 参考文献81-85
• 致谢85-87
• 攻读硕士学位期间发表的论文87

【参考文献】

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本文编号：1123092