线性模式主被动碲镉汞APD探测器测试研究

碲镉汞雪崩光电二极管(Avalanche Photodiode,APD)探测器在主被动模式下能同时获取目标物体的强度信息和时间信息,实现实时的三维探测。高精度时间标定的测试方法是验证三维测距的基础。文中分析了盖革模式和线性模式的优缺点,针对一种线性模式主被动HgCdTe APD探测器的读出电路结构进行了分析,并对TOF计算方法进行了研究,在此基础上搭建了一套高精度时间标定的测试平台,对系统和环境噪声进行了测试,得到噪声带来的时间抖动为179 ps。对测试仪器带来的固定时延进行了校准,对影响TOF精度的电压、电容、斜坡发生器的精度以及高精度电压源的精度等参数进行了理论分析,在77 K下完成了线性模式HgCdTe APD探测器的主、被动信息的测试。测试结果得到低温下电路线性度高达99.9%,饱和电荷容量为7 Me-,时间精度抖动的均方根为2.107 ns,证明该测试平台和方法能有效地评估探测器的性能,为红外精准探测提供了参考。

77 K下碲镉汞APD探测器的高精度时间数字转换电路

碲镉汞雪崩光电二极管(HgCdTe APD)是目前红外焦平面技术前沿研究之一,低温下高精度时间标记读出电路是APD焦平面的基础,直接影响到APD红外焦平面性能。时间数字转换电路(TDC)是实现高精度时间标记的方法之一。基于对低温下金属-氧化物半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET)器件的分析,设计了一款游标型TDC电路,该方法利用同步计数器量化整数倍周期,实现粗计数6 bits的输出;通过片上锁相环倍频的高频时钟来量化不足一个时钟周期的部分,以实现精计数6 bits的输出。电路采用标准互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS)工艺流片,工作在120 MHz的主频与77 K下测试得到,能够分辨最小精度为236.28 ps,其中微分非线性为-0.54~0.71 LSB,积分非线性为-1.32~1.21 LSB。