光子飞行时间测量专用集成电路的研究与设计

发布时间：2024-03-31 16:32

　　随着科学技术的发展,光子飞行时间的测量技术在通信存储、激光测量、军事国防、农业农村、生物医学领域有着广泛应用。微通道板是一种性能优良的光电探测器件,高时间分辨率、高空间分辨能力、高增益和低噪声等特性使其具有显著优势和利用价值。微通道板探测器负责探测光子,将光信号转化为电信号。读出电路芯片对电信号进行处理,实现记录时间的功能。将微通道板探测器和高性能面阵读出电路芯片直接进行混合集成是一条必由之路。本论文的主要内容为设计了一款光子飞行时间测量专用集成电路芯片,完成了理论分析、电路实现、版图设计的过程。光子飞行时间测量系统使用飞行时间原理,光子飞行时间是START和STOP之间的时间间隔。为此,本文讨论了模拟前端电路AFE的原理,实现了低时间误差模拟前端电路和低恢复时间模拟前端电路两种结构的前端电路。其中,低恢复时间模拟前端电路实现了7ns的死区时间。本文还提出了一种高时间精度的时间数字转换器TDC,创新地使用了粗计数和细计数结合的测量电路。这种方式充分利用了延时单元的结构,通过对电流的调节,实现对快延时链和慢延时链延时时间差的控制,从而保证了50ps的时间测量精度。本文提出的光子飞行时间测...

【文章页数】：67 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

图1.6微通道板与芯片混合集成

由上述原理可知,将微通道板探测器和高性能面阵读出集成电路芯片直接进行混合集成是一条必然之路。如图所示,本文提出将微通道板光子飞行时间探测系统和专用集成电路ASIC结合起来。可利用混合集成技术完成探测器和读出电路芯片的一体化,提出基于MCP与ASIC的高时空分辨率的单光子面阵探测器....

图2.1模拟前端电路信号转换

光子飞行时间测量系统中,微通道板探测器将光子转化为电信号,专用集成电路芯片对电信号进行处理,实现记录时间的功能。模拟前端电路（AnalogFrontEndCircuit,AFE）位于整个电路芯片系统的最前端。如图2.1所示,经过放大器模块、比较器模块等处理,在其内部完成了电....

图2.2电路恢复时间

电路工作过程中,脉冲信号输入的电路需要逐次处理这些信号。当一个信号来临时,电路需要一段时间来进行当前信号的处理,电流流过电路结构中的各MOS管、电阻、电容等元件,使其电位、状态发生改变。当前信号处理结束之后,电路中各元件恢复到最初的状态,电路也恢复到了初始状态。模拟前端电路的电路....

图2.3时间误差

其关键指标还包括时间误差,又称行走误差。不同的光信号对应着不同的电信号,经过放大器放大之后,进入比较器比较。对于同样的阈值,不同大小的信号会对应不同的时间,这就导致了时间误差[32]。如图2.3所示,两个坐标系的横轴为时间,纵轴分别为放大器输出和比较器输出。当经过放大器处理得到的....

本文编号：3944204