自适应采样光子计数线阵读出电路设计.pdf

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1、学校代码：10286分类号：TN432密级：公开UDC：621.3学号：153696自适应采样光子计数线阵读出电路设计研究生姓名：翁子清导师姓名：吴金教授陈健高工申请学位类别工程硕士学位授予单位东南大学工程领域名称集成电路工程论文答辩日期2018年6月11日研究方向数模混合集成电路设计学位授予日期答辩委员会主席任宏评阅人李智群任宏2018年6月13日工程硕士学位论文自适应采样光子计数线阵读出电路设计专业名称：集成电路工程研究生姓名：翁子清导师姓名：吴金教授陈健高工2018年6月13日DESIGNOFPHOTONCOU

2、NTINGLINEARARRAYREADOUTCIRCUITBASEDONADAPTIVESAMPLINGAThesisSubmittedtoSoutheastUniversityFortheAcademicDegreeofMasterofEngineeringBYWengZiqingSupervisedbyProfessorWuJinandSeniorEngineerChenJianSchoolofMicroelectronicsSoutheastUniversityJune2018东南大学学位论文独创性声明本人声

3、明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究生签名：日期：东南大学学位论文使用授权声明东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、《中国学术期刊（光盘版）》电子杂志社有限公司、万方数据电子出版社、北京万方数据股份有限公司有权保留本人所送交学位论文的复印件

4、和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布（包括以电子信息形式刊登）论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布（包括以电子信息形式刊登）授权东南大学研究生院办理。研究生签名：导师签名：日期：摘要摘要光子计数成像技术采用具备单光子检测灵敏度的传感器，通过对目标场景的高精度采样获取其二维图像信息。单光子计数探测以其高灵敏度、高信噪比和时间稳定性好等特点，被广泛应用于国防预警、电网安全监控、量子信息和医学成

5、像等领域。随着当代探测技术和信息处理技术应用的不断深入与拓展，对单光子探测系统的光子探测率、检测精度以及灵敏度等性能指标提出了越来越高的要求。本文针对高压电晕漏电检测应用需求，提出了一种自适应采样光子计数线阵读出电路，实现对目标物体微弱紫外辐射光子强度信息的精密测量。该读出电路采用由光子触发雪崩并自动淬灭的被动型采样方式，即由光子分布决定采样及其淬灭的时序。对于弱光检测一般都能够获得与光子随机分布相一致的时序分布特性。在读出电路内部加入处理单元实现了Hold-offtime自动调控，可根据当前检测帧的光子数动态调整下

6、一帧死区延迟时间的长短。系统在确保正确检测到绝大多数光子即维持一定探测效率的前提下，减少APD探测器的待测时间，以期降低暗计数和后脉冲引入的误计数。在此基础上，完成各模块电路设计和像素阵列布局。最后，结合芯片可测性设计要求，完成了系统的电路和版图设计。在TSMC0.18µmMSCMOS工艺条件下，本文完成了自适应采样光子计数线阵读出电路的仿真和MPW流片验证等工作。阵列规模1×8，读出电路总面积为1634μm×995μm，前后仿真结果均满足设计要求。芯片测试结果表明，自适应探测系统各模块功能正常，并且每个像素间的死区

7、时间调节相互独立，可最大程度的提升整体线阵性能。光强增加后探测率下降，系统通过自动降低死区时间，一定程度上弥补探测率的损失。暗计数率小于8kcps，动态范围36.12dB，死区时间可调范围0.1µs~204.8µs，功耗2.9mW，在弱光条件下探测率可达100%。最后，在光学成像仪器配合下，实现了对目标紫外光源的扫描成像。本文研制的紫外单光子探测系统可应用于高压电气设备状态监测，在近地测绘侦察、船舶和飞行器三维数字视觉等方面也有潜在的应用价值。关键词：光子计数，单光子雪崩光电二极管，光子探测效率，读出电路，Hold-

8、offtime调节IAbstractAbstractPhotoncountingimagingtechnologycanobtain2Dimageinformationofthetargetscenebyusingsinglephotondetectortosampleitwithhighaccuracy.Singlephotoncountin