【摘 要】
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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、
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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。
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