留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

GM-APD阵列高精度像素读出电路设计

赵佳姮 赵毅强 叶茂 夏显召 周国清

赵佳姮, 赵毅强, 叶茂, 夏显召, 周国清. GM-APD阵列高精度像素读出电路设计[J]. 红外与激光工程, 2017, 46(1): 106007-0106007(8). doi: 10.3788/IRLA201746.0106007
引用本文: 赵佳姮, 赵毅强, 叶茂, 夏显召, 周国清. GM-APD阵列高精度像素读出电路设计[J]. 红外与激光工程, 2017, 46(1): 106007-0106007(8). doi: 10.3788/IRLA201746.0106007
Zhao Jiaheng, Zhao Yiqiang, Ye Mao, Xia Xianzhao, Zhou Guoqing. High precision pixel readout circuit design for GM-APD array[J]. Infrared and Laser Engineering, 2017, 46(1): 106007-0106007(8). doi: 10.3788/IRLA201746.0106007
Citation: Zhao Jiaheng, Zhao Yiqiang, Ye Mao, Xia Xianzhao, Zhou Guoqing. High precision pixel readout circuit design for GM-APD array[J]. Infrared and Laser Engineering, 2017, 46(1): 106007-0106007(8). doi: 10.3788/IRLA201746.0106007

GM-APD阵列高精度像素读出电路设计

doi: 10.3788/IRLA201746.0106007
基金项目: 

国家海洋局项目(cxsf-39)

详细信息
    作者简介:

    赵佳姮(1992-),女,硕士,主要从事单光子APD方面的研究工作。Email:jiaheng@tju.edu.cn

    通讯作者: 叶茂(1987-),男,讲师,博士,主要从事集成电路设计和红外系统方面的研究工作。Email:mao_ye@tju.edu.cn
  • 中图分类号: TN432

High precision pixel readout circuit design for GM-APD array

  • 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(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 0.18 m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5095 m2,总功耗为0.89 mW,具有小面积和低功耗的优势。
  • [1] Aull B F, Loomis A H, Gregory J A. Geiger-mode avalanche photodiode arrays integrated with CMOS timing circuits[J]. Device Research Conference Digest, 1998, 56(7):58-59.
    [2] Zheng Lixia, Yang Junhao, Liu Zhao, et al. Design and implementation of Gm-APD array readout integrated circuit for infrared 3D imaging[C]//Proceedings of SPIE, 2013, 8907:1-10.
    [3] Li Qi, Chi Xin, Wang Qi. Principle and technology of 3D ladar on a single pulse using geiger-mode APD arrays[J]. Laser Infrared, 2006, 12(3):1116-1119.(in Chinese)李琦, 迟欣, 王骐. 基于盖革模式APD阵列的单脉冲3D激光雷达原理和技术[J]. 激光与红外, 2006, 12(3):1116-1119.
    [4] Nutt R. Digital time intervalometer[J]. The Review of Scientific Instruments, 1968, 39(9):1342-1345.
    [5] Vornicu I, CarmonaGaln R, RodrguezVzquez A. A CMOS 88 SPAD array for time-of-flight measurement and light-spot statistics[C]//2013 IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS2013), 2013:2626-2629.
    [6] Zhu Kunkun, Li Binqiao, Xu Jiangtao. A wide input range 8 bit cyclic TDC[J]. Application of Electronic Technique, 2014, 21(1):34-37. (in Chinese)朱昆昆, 李斌桥, 徐江涛. 一种宽输入范围8 bit循环TDC[J]. 电子技术应用, 2014, 21(1):34-37.
    [7] Heinrichs R, Aull B F, Marino R M, et al. Three-dimensional laser radar with APD arrays[C]//Proceedings of SPIE, 2001, 4377:106-117.
    [8] Yuan P, Sudharsanan R, Bai X, et al. 3232 Geiger-mode ladar camera[C]//Proceedings of SPIE, 2010, 7684:76840C1.
    [9] Villa F, Lussana R, Bronzi D, et al. High linearity SPAD and TDC array for TCSPC and 3D ranging applications[C]//SPIE, 2015, 9370:93701U.
    [10] Perenzoni M, Perenzoni D, Stoppa D. A 6464-pixel digital silicon photomultiplier direct ToF sensor with 100 Mphotons/s/pixel background rejection and imaging/altimeter mode with 0.14% precision up to 6 km for spacecraft navigation and landing[C]//2016 IEEE International Solid-State Circuits Conference (ISSCC), 2016:118-119.
    [11] Perenzoni M, Xu H, Stoppa D. Small area 0.3 pJ/conv, 45 ps time-to-digital converter for arrays of silicon photomultiplier interfaces in 150 nm CMOS[J]. Electronics Letters, 2015, 51(23):1933-1935.
    [12] Kernen P, Kostamovaara J. A wide range, 4.2 ps(rms) precision CMOS TDC with cyclic interpolators based on switched-frequency ring oscillators[J]. IEEE Transactions on Circuits and Systems I:Regular Papers, 2015, 62(12):2795-2805.
    [13] Perenzoni D, Gasparini L, Massari N, et al. Depth-range extension with folding technique for SPAD-based TOF LIDAR systems[J]. IEEE SENSORS 2014 Proceedings, 2014:622-624.
    [14] Villa F, Lussana R, Bronzi D, et al. CMOS imager with 1024 SPADs and TDCs for single-photon timing and 3-D time-of-flight[J]. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 2014, 20(6):364-373.
    [15] Braga L H C, Gasparini L, Grant L, et al. A fully digital 816 SiPM array for PET applications with per-pixel TDCs and real-time energy output[J]. IEEE Journal of Solid-State Circuits, 2014, 49(1):301-314.
    [16] Niclass C, Soga M, Matsubara H, et al. A 100 m range 10 frame/s 34096 pixel time-of-flight depth sensor in 0.18m CMOS[J]. IEEE Journal of Solid-State Circuits,2013, 48(2):559-572.
  • [1] 陈楠, 张济清, 毛文彪, 李雄军, 宋林伟, 高玲, 姚立斌.  大动态范围、高灵敏度红外焦平面数字像元读出电路技术(特邀) . 红外与激光工程, 2022, 51(3): 20210821-1-20210821-11. doi: 10.3788/IRLA20210821
    [2] 张武康, 陈洪雷, 丁瑞军.  具有背景抑制功能的长波红外读出电路 . 红外与激光工程, 2021, 50(2): 20200266-1-20200266-10. doi: 10.3788/IRLA20200266
    [3] 丁瑞军, 杨建荣, 何力, 胡晓宁, 陈路, 林春, 廖清君, 叶振华, 陈洪雷, 魏彦锋.  碲镉汞红外焦平面器件技术进展 . 红外与激光工程, 2020, 49(1): 0103010-0103010(7). doi: 10.3788/IRLA202049.0103010
    [4] 尚超, 王锦春, 张晓兵.  红外焦平面阵列读出电路非均匀性研究 . 红外与激光工程, 2020, 49(8): 20190581-1-20190581-8. doi: 10.3788/IRLA20190581
    [5] 白涛, 陈远金, 戴放, 徐春叶, 刘小淮, 吕江萍, 刘成玉, 李秋利, 沈吉.  大面阵InGaAs基线性APD单片激光雷达读出电路 . 红外与激光工程, 2020, 49(8): 20190529-1-20190529-6. doi: 10.3788/IRLA20190529
    [6] 褚培松, 陈洪雷, 李辉, 丁瑞军.  干涉式大气垂直探测仪读出电路研究 . 红外与激光工程, 2019, 48(7): 704006-0704006(7). doi: 10.3788/IRLA201948.0704006
    [7] 师宇斌, 张检民, 张震, 林新伟, 程德艳, 窦鹏程.  基于等效电路参数提取的硅光电二极管激光损伤机理分析 . 红外与激光工程, 2018, 47(1): 106002-0106002(5). doi: 10.3788/IRLA201847.0106002
    [8] 钟燕平, 袁红辉, 鞠国豪.  非均匀性校正的长波光导探测器读出电路设计 . 红外与激光工程, 2018, 47(1): 104001-0104001(6). doi: 10.3788/IRLA201847.0104001
    [9] 郝立超, 黄爱波, 解晓辉, 李辉, 赖灿雄, 陈洪雷, 魏彦锋, 丁瑞军.  32×32甚长波红外HgCdTe焦平面器件 . 红外与激光工程, 2017, 46(5): 504001-0504001(6). doi: 10.3788/IRLA201746.0504001
    [10] 梁清华, 蒋大钊, 陈洪雷, 丁瑞军.  基于分时共享方案的640×512红外读出电路设计 . 红外与激光工程, 2017, 46(10): 1004001-1004001(8). doi: 10.3788/IRLA201780.1004001
    [11] 周玉蛟, 任侃, 钱惟贤, 王飞.  基于光电二极管反偏的光电检测电路的噪声分析 . 红外与激光工程, 2016, 45(1): 117003-0117003(6). doi: 10.3788/IRLA201645.0117003
    [12] 翟永成, 丁瑞军.  320×256大电荷容量的长波红外读出电路结构设计 . 红外与激光工程, 2016, 45(9): 904003-0904003(6). doi: 10.3788/IRLA201645.0904003
    [13] 周杰, 丁瑞军, 翟永成, 梁清华, 蒋大钊.  320×256中/长波双色IRFPAs读出电路设计 . 红外与激光工程, 2015, 44(10): 2880-2885.
    [14] 郝立超, 陈洪雷, 李辉, 陈义强, 赖灿雄, 黄爱波, 丁瑞军.  具有记忆功能背景抑制结构的共享型读出电路 . 红外与激光工程, 2015, 44(11): 3293-3298.
    [15] 高磊, 翟永成, 梁清华, 蒋大钊, 丁瑞军.  红外焦平面读出电路集成数字输出 . 红外与激光工程, 2015, 44(6): 1686-1691.
    [16] 康冰心, 蔡毅, 王岭雪, 薛唯, 高岳.  硅化铂红外焦平面探测器性能改进技术分析 . 红外与激光工程, 2014, 43(3): 742-748.
    [17] 陈国强, 张君玲, 王攀, 周杰, 高磊, 丁瑞军.  碲镉汞e-APD 焦平面数字化读出电路设计 . 红外与激光工程, 2014, 43(9): 2798-2804.
    [18] 郝立超, 陈洪雷, 李辉, 黄爱波, 丁瑞军.  BDI 型甚长波IRFPA 读出电路研究与设计 . 红外与激光工程, 2014, 43(6): 1782-1787.
    [19] 祖秋艳, 王玮冰, 黄卓磊, 何鑫, 陈大鹏.  二极管非制冷红外探测器及其读出电路设计 . 红外与激光工程, 2013, 42(7): 1680-1684.
    [20] 胡滨, 李威, 李平, 阙滨城.  有源电阻RTIA红外焦平面读出电路 . 红外与激光工程, 2012, 41(8): 2008-2011.
  • 加载中
计量
  • 文章访问数:  440
  • HTML全文浏览量:  39
  • PDF下载量:  229
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2016-05-01
  • 修回日期:  2016-06-12
  • 刊出日期:  2017-01-25

GM-APD阵列高精度像素读出电路设计

doi: 10.3788/IRLA201746.0106007
    作者简介:

    赵佳姮(1992-),女,硕士,主要从事单光子APD方面的研究工作。Email:jiaheng@tju.edu.cn

    通讯作者: 叶茂(1987-),男,讲师,博士,主要从事集成电路设计和红外系统方面的研究工作。Email:mao_ye@tju.edu.cn
基金项目:

国家海洋局项目(cxsf-39)

  • 中图分类号: TN432

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(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 0.18 m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5095 m2,总功耗为0.89 mW,具有小面积和低功耗的优势。

English Abstract

参考文献 (16)

目录

    /

    返回文章
    返回