GM-APD阵列高精度像素读出电路设计

提出并设计了一种适用于激光3D成像的盖革模式雪崩光电二极管(Geiger-mode avalanche photodiode,GM-APD)阵列像素读出电路。基于飞行时间(time-of-flight,TOF)原理,像素读出电路主要由两部分组成:有源淬火电路(active quenching circuit,AQC)和时间数字转换器(time-to-digital converter,TDC)。所采用的TDC是粗细结合的两段式计数方式,成功实现了时钟频率和时间分辨率间的折中。基于内插技术,由粗计数的线性反馈移位寄存器和细计数的延时线型TDC共同实现了高达18-bit的动态范围。同时两者的时钟频率分别降低至250 MHz和500 MHz,分别是常规设计频率的1/20和1/10,大大降低了设计和应用难度。电路采用SMIC 0.18μm工艺设计,后仿结果显示达到了200 ps的高精度时间分辨率,对应的距离分辨率为3 cm,完全能够满足3 km激光3D成像中的测距要求。像素电路版图面积小于50×95μm2,总功耗为0.89 m W,具有小面积和低功耗的优势。

线性碲镉汞APD的高速焦平面读出电路研究

设计了一款针对线性模式碲镉汞APD的高速成像读出电路。像元内基于三级推挽放大器级联的电阻反馈跨导放大器(RTIA),实现了光电流的实时线性转换,并利用工作于亚阈值区的MOS管作为反馈电阻实现跨阻增益可调;利用电容补偿法对RTIA的相位裕度进行优化,解决了低增益下的输出振荡现象。结果显示,像元内RTIA跨阻增益可调范围达100~140 dB,增益带宽积可达10^(14)数量级,像元电路输出延时低于1.8 ns。设计了像素外的飞行时间测量电路,采用两段式时间数字转换器分别进行飞行时间的大范围粗量化和高精度细量化,测量范围可达1530 m,测量精度为106.5 cm,线性度高于99.99%。