一种SPAD光电探测器及读出电路的设计

发布时间：2021-10-11 12:14

　　近年来,单光子探测、采集与处理技术的应用已经逐步扩展到军事、工业、农业、宇宙等方方面面,这些领域都涉及到将光信号转变成电信号的处理。在生产和经济领域中的应用更为常见,比如,精密测量、工业过程测量和控制、医疗检测等应用中。在单光子采集和处理过程中,首先通过光电探测器件接收光信号,然后通过光电读出电路接收光电流,将其转换成电压信号,最终将电压信号放大并数字化处理。因此,改进光电探测器件和光电信号读出电路的性能,是提高光电探测器灵敏度和精度的关键。（1）本文主要针对高速、微弱可见光和近红外光的探测,完成一种探测器件与读出电路芯片级研究。首先分析了光电探测器工作原理和指标,研究了探测器的宽光谱、高响应度、高速和微弱信号探测等性能参数。阐述了光电探测器件和光电读出电路的工作原理,并对其结构的各项性能指标进行了设计和优化。（2）课题通过光电器件和电路结构设计、仿真、版图设计、版图验证和后仿真验证流程,设计和实现了一种高性能的光电探测器件和光电模拟信号读出电路,完成了一种光信号探测系统芯片级的设计。基于中芯国际（SMIC）0.18μm CMOS工艺,设计了一种高边缘击穿,扩展光谱和低暗计数率的圆形单... 

【文章来源】：湘潭大学湖南省

【文章页数】：77 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
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第1章 引言
    1.1 研究背景及意义
    1.2 国内外研究现状与分析
    1.3 探测原理和设计方法
    1.4 本文主要研究内容与组织结构
第2章 单光子雪崩光电二极管探测器件的设计
    2.1 单光子雪崩光电二极管的工作机理
    2.2 单光子雪崩光电二极管的性能指标
    2.3 SPAD的结构设计与仿真
        2.3.1 扩展光谱探测结构
        2.3.2 高边缘击穿结构
    2.4 SPAD的流片与测试验证
        2.4.1 SPAD的流片与测试平台搭建
        2.4.2 SPAD的测试验证
    2.5 本章小结
第3章 光电探测器读出电路的设计与研究
    3.1 光电信号读出电路芯片原理及设计
        3.1.1 光电信号读出电路芯片原理
        3.1.2 光电信号读出电路芯片设计
    3.2 带隙基准电压源电路
        3.2.1 带隙基准电路及指标
        3.2.2 启动电路设计与分析
        3.2.3 核心电路与运算放大器设计与分析
        3.2.4 带隙基准电路仿真
        3.2.5 带隙基准电路版图、流片及测试
    3.3 主运算放大器
        3.3.1 主运算放大器电路设计与分析
        3.3.2 主运算放大器电路仿真
        3.3.3 主运算放大器电路版图设计及后仿真
    3.4 单位增益缓冲级
    3.5 比较器电路
        3.5.1 比较器电路设计与分析
        3.5.2 比较器电路仿真
        3.5.3 比较器电路版图及后仿真
    3.6 光电信号读出电路系统
        3.6.1 光电信号读出电路仿真
        3.6.2 光电信号读出电路版图设计及芯片实现
    3.7 光电探测系统PCB板设计及实现
    3.8 本章小结
第4章 总结与展望
参考文献
致谢
附录 器件仿真程序
个人简历
在校期间发表的学术论文及研究成果


【参考文献】：
期刊论文
[1]p-well/DNW单光子雪崩二极管保护环的最小化设计（英文）[J]. 杨红姣,金湘亮.  红外与毫米波学报. 2018(05)
[2]采用APD单光子阵列读出集成电路的红外测距技术[J]. 吴金,俞向荣,史书芳,郑丽霞,孙伟锋.  红外与激光工程. 2017(06)
[3]一种新型低暗计数率单光子雪崩二极管的设计与分析（英文）[J]. 杨佳,金湘亮,杨红姣,汤丽珍,刘维辉.  红外与毫米波学报. 2016(04)
[4]微弱光信号检测电路的实现[J]. 李常青,梅欣丽,明奇.  应用光学. 2010(05)
[5]微弱光信号检测电路的设计[J]. 杜习光.  电子元器件应用. 2010(01)
[6]可调制激光器的红外探测器响应测试系统[J]. 赵虎.  光电工程. 2009(01)

硕士论文
[1]基于0.18μm CMOS工艺的比较器设计[D]. 秦睿.黑龙江大学 2014
[2]2.5Gbps CMOS光接收机前置放大器设计与仿真[D]. 王昆.西安电子科技大学 2014
[3]微弱光电信号采集与处理系统的研究[D]. 何玲玲.安徽大学 2010
[4]APD微弱光电信号探测技术研究[D]. 赵慧玲.长春理工大学 2010



本文编号：3430489