GM-APD阵列高精度像素读出电路设计

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1、第46卷第1期红外与激光工程2017年1月Vo1．46NO．1InfraredandLaserEngineeringJan．2017．———————GM-APD阵列高精度像素读出电路设计赵佳妲，赵毅强，叶茂，夏显召，周国清(1．天津市成像与感知微电子技术重点实验室(天津大学)，天津300072；2．桂林理工大学广西空间信息与测绘重点实验室，广西桂林541004)摘要：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fGeiger—modeavalanchephotodiode，GM-APD)阵列像素读出电路。基于飞行时间

2、(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(activequenchingcircuit，AQC)和时间数字转换器(time—to—digitalconverter，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250MHz和500MHz，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

3、用SMIC0．18p．m工艺设计，后仿结果显示达到了200ps的高精度时间分辨率，对应的距离分辨率为3cm，完全能够满足3km激光3D成像中的测距要求。像素电路版图面积小于50x95m2，总功耗为0．89mw，具有小面积和低功耗的优势。关键词：读出电路；盖革模式雪崩光电二极管；延时线型TDC；激光3D成像中图分类号：TN432文献标志码：ADOI：10．3788／IRLA20l746．0106007HighprecisionpixelreadoutcircuitdesignforGM-APDarrayZhaoJiaheng，Zha

4、oYiqiang，YeMao，XiaXianzhao，ZhouGuoqing。(1．TianjinKeyLaboratoryofImagingandSensingMicroelectronicTechnology(TianjinUniversity)，Tianjin300072，China2．GuangxiKeyLaboratoryforSpatialInformationandGeomatics，GuilinUniversityofTechnology，Guilin541004，ChinaAbstract：Apixelreado

5、utcircuitwaspresentedanddesignedforGeiger-modeavalanchephotodiode(GM—APD)arrayapplyingtolaser3Dimaging．Basedontheprincipleoftime—of—flight(TOF)，thepixelreadoutcircuitconsistedoftWOmainparts：activequenchingcircuit(AQC)andtime—to—digitalconverterrTDC)．TheadoptedTDCwasat

6、wo-segmentcoarse-finearchitecturetomanageatmde—ofbetweenclockfrequencyandtemporalresolution．Basedoninterpolationtechnique，theLFSRusedforcoarsecountingandthedelay-linetypeTDCusedforfinecountingachievedawidedynamicrangeupto18一bittogether．Meanwhiletheclockfrequencyusedin

7、thosetwopartswerereducedto250MHzand5OMHz，whichare1／20and1／10oftheconventionaldesignfrequency，respectively．Thus，thedificultiesofdesignandapplicationswerereducedsignificantly．ThecircuitwasdesignedwithSMIC0。18mprocess．Thepost—simulationresultsrevealahighprecisetemporalre

8、solutionof200psanda收稿Et期：2016—05—01；修订日期：2Ol6—06一l2基金项目：国家海洋局项目(cxsf-39)作者简介：赵佳姬(1992一)，女，硕士，主要从事单光子APD方面的研究工作。Email：jiaheng