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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。
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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

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