可配置门控采样光子计数读出电路设计

发布时间：2022-02-21 11:03

　　随着科学技术的飞速发展,人类探索并研究“肉眼不可见事物”的能力逐步提升,其中单光子检测计数成像便是其中一个典型范例,随着半导体材料、器件和电路的不断革新,大幅提高了微光探测技术的检测能力并拓宽了其应用范围。其中,SiC APD探测器凭借对微弱紫外光的灵敏感应,在高压设备故障检测应用中发挥不可替代的作用,但是随着APD阵列规模逐渐增大,像元串扰、寄生效应和噪声干扰等非理想因素影响逐渐增大,使得大阵列ROIC读出电路的设计和优化面临更大的挑战。为了实现不同光强条件下的高探测率,本文设计了一种探测模式可配置的数字式光子计数读出电路,可与1×8线阵型SiC APD互联集成。首先,本论文分析并阐述了影响光子探测率的各种因素,在固定门控探测模式的基础上,基于时间和空间耦合的想法,提出了一种互补门控探测模式,控制原有两像素交替工作,等效为一个新的单像素,以确保强光条件下的高探测率,并完成在大阵列系统下相应的工作时序设计和ROIC读出电路的设计。其次,为满足各模块对时钟频率的不同需求,设计快速锁定的锁频环时钟电路,产生占空比50%,频率为50MHs的时钟,且经多分频处理后供ROIC使用。在此基础上,完... 

【文章来源】：东南大学江苏省211工程院校985工程院校教育部直属院校

【文章页数】：74 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
    1.1 研究背景和意义
    1.2 国内外研究现状和发展趋势
        1.2.1 国内外研究现状
        1.2.2 发展趋势
    1.3 研究内容和指标
        1.3.1 研究内容
        1.3.2 设计指标
    1.4 论文结构安排
第二章 门控采样光子计数读出电路
    2.1 光子计数探测原理
        2.1.1 电晕放电现象
        2.1.2 单光子检测计数技术
    2.2 光子探测效率影响因素
        2.2.1 APD性能约束
        2.2.2 光子计数系统误差
    2.3 光子计数读出电路
        2.3.1 读出电路架构设计
        2.3.2 淬灭电路
        2.3.3 数据锁存与传输
    2.4 固定门控探测模式
    2.5 互补门控探测模式
    2.6 本章小结
第三章 门控采样光子计数读出电路设计
    3.1 光子计数读出电路模块设计
    3.2 信号同步模块
        3.2.1 探测模式选择电路
        3.2.2 复位信号控制电路
        3.2.3 帧字位同步电路
    3.3 像素电路模块
        3.3.1 hold-off-time 电路
        3.3.2 计数器和锁存器
        3.3.3 单像素电路设计
    3.4 内嵌时钟模块
        3.4.1 锁频环电路设计
        3.4.2 信号传输网络
    3.5 线阵型读出电路系统功能仿真验证
        3.5.1 线阵1×8系统
        3.5.2 ROIC系统功能仿真验证
        3.5.3 系统功耗仿真
    3.6 本章小结
第四章 版图设计与仿真验证
    4.1 ROIC系统版图布局
    4.2 版图设计
        4.2.1 信号同步电路版图设计
        4.2.2 锁频环电路
        4.2.3 单像素电路
        4.2.4 线阵像素模块
        4.2.5 ROIC芯片完整版图
    4.3 模块电路后仿真验证
        4.3.1 探测模式选择电路
        4.3.2 信号同步模块电路
        4.3.3 内嵌时钟锁频环电路
    4.4 像素电路后仿真验证
    4.5 ROIC系统功能验证
    4.6 本章小结
第五章 芯片测试与分析
    5.1 芯片测试平台
        5.1.1 ROIC芯片封装
        5.1.2 印刷电路板设计
        5.1.3 测试平台搭建
    5.2 ROIC芯片关键模块测试与分析
        5.2.1 内嵌时钟模块
        5.2.2 帧字位信号同步电路
        5.2.3 探测模式选择电路
        5.2.4 Hold-off-time电路
    5.3 ROIC芯片性能测试与分析
        5.3.1 固定门控探测模式
        5.3.2 互补门控探测模式
    5.4 紫外探测成像系统测试验证
        5.4.1 APD暗计数测试
        5.4.2 紫外探测成像功能验证
    5.5 芯片测试结果分析
    5.6 本章小结
第六章 总结与展望
    6.1 论文总结
    6.2 未来研究展望
参考文献
致谢
攻读硕士学位期间发表的论文和参与申请的专利


【参考文献】：
期刊论文
[1]高灵敏度宽禁带半导体紫外探测器[J]. 陆海,陈敦军,张荣,郑有炓.  南京大学学报(自然科学). 2014(03)
[2]极紫外微通道板光子计数成像探测器性能研究[J]. 尼启良.  光学学报. 2013(11)
[3]紫外成像技术在电晕放电检测中影响因素的试验研究[J]. 杨宁,吴旭涛,毕建刚,袁帅,弓艳朋,杨圆.  高压电器. 2012(12)
[4]PIN硅光二极管在n/γ混合辐射场中的探测技术研究[J]. 黄平,方方,张友德,龚岚.  核电子学与探测技术. 2011(12)
[5]紫外成像检测技术及其在电气设备电晕放电检测中的应用![J]. 王少华,梅冰笑,叶自强,罗盛.  高压电器. 2011(11)
[6]光电倍增管的技术发展状态[J]. 赵文锦.  光电子技术. 2011(03)
[7]光子计数模式下的目标探测与成像[J]. 尹丽菊,陈钱,顾国华,周蓓蓓.  强激光与粒子束. 2011(03)
[8]红外单光子探测器暗计数的研究[J]. 赵峰,郑力明,廖常俊,刘颂豪.  激光与光电子学进展. 2005(08)
[9]新型敏紫硅光伏二极管[J]. 陈伟秀,刘国勇.  半导体技术. 1984(04)

博士论文
[1]紫外成像技术对高压电气设备外绝缘电晕放电检测及故障诊断的研究[D]. 马斌.武汉大学 2010
[2]APD光子计数成像技术研究[D]. 寇松峰.南京理工大学 2010

硕士论文
[1]高性能紫外探测器新结构及其CMOS读出电路研究[D]. 赵永嘉.湘潭大学 2013



本文编号：3637120