雪崩光电二极管阵列型全集成传感读出电路设计.doc

雪崩光电二极管阵列型全集成传感读出电路设计 THE DES IGNOF FULL，YTEGRATEDI冱ADOUT CIRCUITBASED ONAVALANCHEPHOTON DIODESENSORARRAYA ThesisSubmitted toSoutheastUniversityFor theAcademic Degreeof Masterof EngineeringBYYangJunhaoSupervised byProfessor胁JinandSenior EndNie We id on gn lo rtmglneereloongSchool ofIntegrated CircuitsSoutheast UniversityJunexx万方数据一东南大学学位论文独创性声明本人声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l叠盗潼日期幺雌弛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、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，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(包括刊登)论文的全部或部分内容。 论文的公布(包括刊登)授权东南大学研究生院办理。 研究生签名游导师签名万方数据摘要摘要激光雷达作为一项正在迅速发展的高新技术，以其极高的角度、速度、距离分辨率等特点在侦察用成像系统应用领域受到各国的极大关注。 近些年，随着新型光电探测器一具有单光予探测能力的雪崩光电二极管的出现，基于传感器阵列结构的应用受到越来越多的关注。 而与之对应的激光测距读出电路以其数据采集的高精度和高密集度，在红外探测成像领域发挥着不可替代的作用。 单光子传感阵列读出电路，通过读出光子从发射到传感器接收反射光子的时间，达到测距的目的。 传感器采用具有单光子响应的工作于盖革模式的InGaAs雪崩光电二极管。 读出电路主体采用帧频式顺序存取型架构，包含有基于门控的淬火恢复电路、像素级TDC电路、时钟管理电路和时序控制电路等。 为同时满足较宽动态范围和较高时间分辨率，并兼顾面积考虑，像素级计时电路采用了两段插入式TDC结构。 针对旧版读出电路高频时钟外接后计数初相随机引发的测量精度下降问题，提出了一种激光发射与计数同步而与传感器门控偏置异步、主被动联合控制的工作时序，并加入DLL模块进行时钟相位处理，改善了外接高频时钟下的精度问题，提高了传感器偏置于盖格模式下的灵活性。 本文提出的读出电路采用CSMC059m CMOS工艺实现，经Cadence EDA工具验证，完成系统电路前仿和关键功能模块电路的后仿并流片测试。 该电路系统的工作电压为50V，其二维阵列规格有8x8和3x3两种，像元中心距离51509m，仿真结果表明读出电路的时序功能正确，其时间分辨率可达到1ns以内，满足设计要求。 测试结果显示芯片功能正常，但由于实际内部高频环振的频率稳定性问题，测量精度下降到15ns左右。 该读出电路可与传感器阵列进行混合封装，加入外围控制电路和信号处理电路后进行测距成像实验。 GAPD阵列作为一种全固态的探测器，在微弱光、高分辨率三维成像领域显示出极强的技术优势和广泛的应用前景，本文研究成果探索出一种实现这种应用切实可行的技术路径。 关键词激光雷达，红外测距读出电路，盖格模式，雪崩光电二极管，混合封装万方数据东南大学工程硕士学位论文II万方数据AbstractA bstractLaserradar asarapidly developinghightech，with itshigh angle，speed，distanceresolutioncharacteristics，turns toa greatconcern in the field of imagingsystems applicationsIn recentyears，as theemergenceof anavalanche photodiodewith singlephoton detectioncapabilities，the arraystructure ofdetectorsattracts moreand moreattentionThe correspondingreadout circuitplays anirreplaceable rolewiththe highprecision and high-density ofdata collectionThe ROICachieves thepurpose ofranging bymeasuring the time of the emittedphotons flight，withthe InGaAs avalanche photodiodein Geiger modeThe mainstructure of ROIC isthe framerate readoutandsequential aessstyle，including gatedcontrol activequenching circuit，the pixel-level TDC，clockmanagement circuitryand timingcontrol circuitTo satisfya widedynamic rangeandhightemporalresolution，as wellas thearea size，the pixelcircuit USeSa two-stage TDCstructureIn orderto solvetheauracy decreaseproblem causedby therandom initialphase ofexternal highfrequency clock，an activeandpassive jointcontrol method，which meansthat thelaser transmitterand countingare synchronizedwhilethe gatecontrol signalof biasvoltage isasynchronous，is proposedThe DLLmodule isalso addedtoprocess clockphase toimprove theprecision performanceThis controlmethod alsocan improvetheflexibility of the APDin theGeiger modeThe proposedROIC isdesigned andimplemented based onCSMC O59m CMOSprocess withCadence EDAtoolsThe operatingvoltage is50V,the sizeoftwo-dimensional arrayis8x8and3x3，the centerdistance oftwo adjacentcells isless than150pmSimulation resultsshow that the functionofROICis proper,thetimeresolution isless than1nsTestresults showthatthechip worksproperly,but themeasurement auracydecreases becauseof thefrequencystability problemsofthering oscillatorA moreprehensive research，which isabout analysisandassessment principlesoftheprecision indicatorand intelligentdata processingmethods，would bepromotedThe ROICCan beintegrated withthe APDsensor arraybasedonhybridpackage technologyandconduct theinfrared imagingexperimentsAsakind ofsolid-state detector,inthefieldofweak lightandhigh resolution3D imagingGAPD arrayshows strongtechnical advantagesand applicationprospectApractical applicationoftechnology isexplored throughthe workofthis paperKeywordsLaser radar,Infrared rangingreadout circuit，Geigermode，Avalanche photodiode，Hybrid-packageIII万方数据东南大学工程硕士学位论文万方数据目录目录摘要?IAbstract?IIIEl录?V第一章绪论?。 111研究背景与意义?112国内外研究现状及发展动态?一21-3研究内容与设计指标?一4131研究内容?4132设计指标?514组织结构?6第二章激光测距成像读出电路原理分析?721红外读出电路传感检测基础?。 7211GAPD光电探测器?7212脉冲飞行时间测距?922成像系统主要性能参数?l0221系统成像速度?10222系统探测景深?10223系统测距精度?1023读出电路时序?1l231读出电路受控模式?11232读出电路工作模式?1l233计时电路计数模式?1324读出电路架构?13241顺序存取型ROIC?。 13242事件驱动型ROIC?。 1425本章小结?。 15第三章GAPD阵列型全集成光电传感读出电路设计?l731读出电路架构与时序设计?17311被动式ROIC控制信号流程?一17312主动式ROIC控制信号流程?。 18313ROIC控制方式扩展?2032主被动切换式读出电路设计?2l321主被动切换式ROIC系统结构?一21322关键功能模块设计?21323小结?29V万方数据东南大学工程硕士学位论文33主被动结合式读出电路设计?29331主被动结合式ROIC系统结构?29332关键功能模块设计?30333小结?一?3734本章小结?38第四章读出电路时序功能仿真验证?。 3941仿真环境与条件?3942ROIC模块电路仿真?。 39421主被动切换式ROIC模块电路仿真与分析?39422主被动结合式ROIC模块电路仿真与分析?一4343ROIC系统电路仿真?。 46431ROIC时序功能验证与分析?46432ROIC精度性能仿真与分析?4744LFSR伪随机码译码方案设计与仿真?5245本章小结?55第五章读出电路版图设计与芯片测试?5751版图设计注意事项?57511版图绘制准备?一57512版图绘制过程?57513版图验证与数据提交?5952读出电路系统版图设计?5953读出电路后仿真?60531主被动切换式ROIC关键模块后仿?一60532主被动结合式ROIC关键模块后仿?6154芯片测试结果分析?6355本章小结?73第六章总结与展望?7561论文总结?7562研究展望?76参考文献?。 77j$C谢?8l攻读硕士学位期间发表的论文?83VI万方数据第一章绪论第一章绪论帚一早瑁T匕激光雷达作为一种正在迅速发展的高新技术【H】，以其在角度、速度、距离分辨率等方面具备的极高的精度性能特性，在传感检测成像系统应用领域受到广泛的关注。 随着微电子技术与光电信息传感检测技术日新月异的发展，激光测距读出电路正在向数据传感检测与采集的高精度、数据传输的高速与高密集度方向发展，并在红外探测成像领域发挥着不可替代的作用59】。 本章主要阐述激光测距成像系统的研究背景与意义，综述该领域国内外研究现状及发展动态，在此基础上给出论文工作的主要设计指标以及论文的组织结构。 11研究背景与意义以信息技术为核心的高新技术的迅速发展与应用，带来世界军事与民用领域的深刻变革，争夺信息优势成为高技术局部战争的焦点。 信息获取方式的先进性以及对目标识别的准确性，成为争夺信息优势的关键手段之一。 信息的获取、探测有多种方式，其中就包含红外激光传感检测技术，该技术利用红外激光独有的优良特性主要有极高的角度、距离和速度分辨率、强抗干扰能力、体积小、重量轻、获得目标图像的多样性、目标探测及识别的主动式探测方式等，因此在军民用领域均得到极其广泛的应用5】f9】。 主动光电信息获取主要依赖于激光经被测目标反射后光谱特征的探测，经过电子学信号处理完成对目标探测、目标识别的功能，其探测技术上的先进性是决定将来争夺信息优势的关键因素之一。 在激光雷达侦察用成像领域，借助激光雷达的高分辨率，可以采集三维数据，如方位角一俯仰角距离、距离速度强度，并通过后续的数字信号处理将数据以图像形式显示，获得几何分布图像、距离选通图像和速度图像等，红外探测作为重要的侦察手段具有极大的发展潜力【l】f41f7】。 红外焦平面阵列(Infrared FocalPlane Array,IRFPA)主要由红外探测器阵列和读出电路(ReadoutCircuit,ROIc)阵列组成【m15】。 其工作性能既与探测器性能如量子效率、光谱响应、噪声谱、均匀性等有关，还与信号的形式及其输出性能有关。 对于许多目前已成熟的红外焦平面探测器技术来说，现在限制其性能的不是探测器本身，而是读出电路部分。 对红外读出电路的基本要求有数据采集精度和密集度高、串扰噪声低、动态范围大、功耗低、对红外探测器偏压控制良好、阵列尺寸大和中心距小。 红外探测器在检测微弱的激光回波信号时极易受到各类噪声的干扰，为使激光测距成像系统能够获得反映被测目标特征的高品质图像，要求光电转换器件即探测器具有极高的探测灵敏度与信噪比。 近年来，各类光电探测器层出不穷，工作在盖格模式下的雪崩光电二极管(Geiger ModeAvalanchePhotonDiode，GAPD)以其具备的单光子探测潜力、全固态结构、高信噪比、快速反应、低功耗和独特的信号脉冲输出方式等特点，已在微光探测成像领域获得了广泛的应用【1617】。 GAPD在PIN型光电二极管的基础上增加了重掺杂的倍增层，对初级载流子进行倍增进而获得较高的电流增益，盖格模式下载流子发生雪崩效应可产生数百微安甚至毫安量级的雪崩电流。 随着APD制造工艺和结构设计的不断进步，探测器综合性能已得到大幅度提高。 目前，APD探测器已广泛应用于量子信息、生命科学、极微弱光探测、远程通信以及三维激光雷达领域，构成为单光子探测技术的重要基础【17五01。 相比于以往的CCD读出电路，CMOS读出电路具有更大的性能优势。 CCD读出电路具有较低1万方数据东南大学工程硕士学位论文的噪声，但制造工艺比较特殊、制造成本较高，再加上电路抗辐射性能较差，应用受到严重限制f191。 CMOS读出电路可实现系统集成，成本低。 理论上，基本图像传感器所需的功能，包括寄存器、时序控制、计算机IO接口等，都可集中在同一颗芯片上；CMOS采用标准工艺制造，因此电路设计和制造成本要低得多CMOS读出电路还具有抗辐射能力强的优点，使其应用范围更加广泛；此外，CMOS读出电路易于实现低功耗，而且输出方式灵活多变。 配合GAPD设计而成的数字式CMOS读出电路，结构更为简单，受电路噪声影响更小，易于更大规模集成。 随着Geiger模式探测器阵列的发展，阵列集成度日益提高，摈弃了早期扫描方式的激光三维成像方式，可利用面阵型GAPD探测器，实现无扫描式激光三维成像，其过程如下当用激光脉冲对被测目标进行照射后，每个探测器像元均对目标像素进行脉冲飞行时间(Time ofFlight，TOF)的测量，从而实现无扫描的测距I引。 采用短激光脉冲可以获得极高的测距精度，单光子级探测灵敏度使得探测距离大大提高，并且单次脉冲探测即可获得目标三维距离像，成像速度大大提高。 Geiger模式探测器的饱和输出足以驱动后端数字电路完成飞行时间的计时，使得系统简化，体积更小，稳定性更高。 基于G-APD探测器阵列的数字式CMOS读出电路已在实际系统应用中显示出强大的生命力。 12国内外研究现状及发展动态激光雷达是传统雷达技术与现代激光技术相结合的产物。 激光问世后的第二年，即1961年，激光雷达的设想就已提出。 经历50多年的研究，激光雷达技术从最为简单的激光测距应用开始，应用领域不断扩展，日益丰富。 目前典型的激光技术及其应用主要有激光跟踪、激光测速、激光扫描成像、激光多普勒成像等，并相继开发出适用于不同应用场合的激光雷达，使激光雷达成为一类具有多种功能的光电系统【2l【31。 激光雷达仍是一项发展中的技术，有的激光雷达系统已经应用于现实生活中，但许多激光雷达系统仍在研制或探索之中，并在各国的国防军事领域中成为一项关键的前沿技术【3】。 其中，侦察用成像激光雷达作为军事部门大力发展的几类激光雷达之一，更是成为发达国家在军事和空间等敏感领域展开的重点研究项引1】【7】【91。 Geiger模式探测器阵列无扫描成像是目前激光雷达测距三维成像技术中的主流技术，读出信号处理电路是激光雷达测距三维成像系统中的关键组成部分之一。 随着微电子技术的不断发展进步，信号处理逐渐由模拟走向数字，同样地，按红外CMOS读出电路信号感应和处理方式的不同，也从模拟式ROIC逐步扩展到数字式ROIC。 模拟式读出电路多用于红外焦平面阵列被动式成像系统中，将红外传感器感应检测的目标自身辐射的光信号转换成模拟电压信号输出，再经ADC转换供后续电路完成数字信号处理。 而数字式读出电路多用于Geiger模式探测器阵列无扫描主动式成像系统之中，激光发射系统对探测目标实施主动式照射，经目标反射后的脉冲激光信号被GAPD探测器检测并直接转换成数字信号输出，供后续电路进行数字信号处理。 数字式ROIC具有更好的噪声抑制、探测灵敏度和低噪声特性，因此发展迅速，前景广阔。 自20世纪60年代发明激光雷达以来，国外对成像激光雷达展开了积极深入的研究，并在军用领域和民用领域都进行了广泛应用。 自上世纪80年代中期以来，俄罗斯首先开展了固体APD探测器的研究工作；进入90年代后，美国的辐射检测仪器公司(】m)和麻省理工学院(MIT实验室等研究机构，逐步对阵列型2万方数据第一章绪论APD设计及其制造技术展开了深入研究，大大促进了基于固态APD光子计数成像技术的迅猛发展【1”。 与此同时，美国国防部和美国空军开始长期资助MIT林肯实验室进行基于APD阵列光子计数成像的3维激光成像技术研究1151。 到xx年，MIT林肯实验室的研究人员完成了4x4阵列规模盖格模式APD的实验系统验证，并获取了大量与3D成像的相关数据【211。 小规模阵列可被视为“单一的空间分辨率像素”，借助扫描镜可形成32x32和128x128的像素图像。 该电路系统并非全集成，通过金属引线并利用外部计时电路处理APD阵列探测器的输出信号，最早的混合测试结构芯片如下图11所示。 4x4APD Array400pm图11MIT实验室最初的混合封装测试结构在此基础上，MIT林肯实验室的研究人员进而准备实现一种全集成的3232阵列规模电路系统，如图12所示。 其中像素级的CMOS计时电路采用15bit粗计数器和主、次时钟状态形成的2bit游标位细计数器的两段式电路结构，在500MHz稳定时钟频率下可提供05ns的时间分辨率。 Via connectiotoCMOS图12MIT实验室研制的全集成3232探测器阵列林肯实验室后续展开了一系列深入的研究工作，其重点包括扩大阵列规模、缩小像素尺寸、提高测距精度和光学填充因数；采用最新的封装技术和工艺完成电路设计11210xx年，文献12中提到利用一种全新的3D集成技术，即三层工艺结构一多层S01CMOS集成技术完成ROIC设计。 ROIC电路中采用11bit LFSR计数器，工作频率为1GHz，时问量化分辨率达到025ns；电路支持33V和5V两种电源模式；典型帧频为20kHz甚至可高达几百kHz；与GAPD相关的几个关键技术指标分别为探测概率60、暗计数率1000countss、时问抖动150ps。 截至目前，MIT林肯实验室已完成了多款不同规模的GAPD探测器阵列的研制与开发，并成功用于实际的成像实验系统之中【131。 综上，林肯实验室所研究的激光雷达系统已经过了几代变迁第一代证明可以使用APD阵列来获取高分辨率的3维图像数据，即原理验证第二代则进一步增大了阵列尺寸，减小了光学系统和像素内集成系统的尺寸，即原型验3万方数据东南大学工程硕士学位论文证和关键技术突破；第三代则为提高系统结构性能做了更多改进，使之更符合使用要求与需求。 其他国家的科研工作者在该领域也取得了诸多成果瑞士洛桑工大采用035Inn CMOS工艺实现了一种128x128规模的GAPD探测器阵列，配有32个共享的时间数字转换器(Time-toDigital C伽verter，TDC)和高速数据IO端口【22-241；美国Princeton Light-wave公司采用0181am CMOS工艺设计了一种32x32规模的GAPD探测器阵列，数据输出采用32行并行输出，每行数据输出耗时336I_ts，当门控时间为2lxs时，一帧时间仅为536雎s，对应的最高帧频可达到186kHzt25】126】；意大利米兰工作室于xx年提出了一种“smart pixel”结构，TDC为带有延时线的两段式结构，采用035pm CMOS工艺实现，像素内的lO bitTDC可以提供312ps的时间分辨率和320ns的计时量程【271。 国外红外探测技术研发时间长、投入大、基础积累雄厚，水平高，有着完整的工艺生产线和读出电路设计团队，焦平面系列产品种类多、规模大、性能优越，并且均用于军事和空间等敏感领域，读出电路技术也都属于保密范畴，技术壁垒森严皿删。 我国的红外焦平面阵列CMOS读出电路的研制尚处于预研和起步阶段，虽有各级研究机构和大专院校积极攻关并取得了可喜的成绩，但在电路性能及系统应用等方面与欧美等发达国家相比仍存在着巨大差距，国内研究单位涉及G-APD探测器阵列的研制成果在已公开发表的文献尚未看到。 国内，由于探测器与读出电路双重瓶颈的制约，红外探测技术在微光成像领域的应用研究很薄弱，对于全集成化的成像系统研究几乎没有，只有少量综述性或原理研究性论文。 无论是单个分立的GAPD器件，还是GAPD阵列探测器，实验系统均是由分立器件、通用的lC模块或FPGA搭建构成，哈尔滨工业大学和南京理工大学等研究单位对此已做了相关研究，也获得了丰富的实验数据基础【17】【l91。 对于GAPD探测器与相应电路的集成技术，最好当然是采用单片集成工艺，但由于探测器和电子电路是特性不同的两类器件，简单地采用单片工艺可能会降低两者或两者之一的性能。 因此，对于SiAPD探测器，用于工艺的兼容性适合采用单片集成工艺技术，而对于InGaAs此类化合物半导体APD探测器，由于工艺的非兼容性，更适合采用混合集成工艺技术【311，全集成与混合集成两种红外探测集成技术目前都有很好的发展，并有不同的适用领域。 在激光测距成像读出电路中，基于GAPD探测器和高速计数器的数字式读出方式比模拟式具有显著优势灵敏度高、噪声影响小、适用范围广、应用方便，并且系统除去光电传感器和传感偏置外均为数字电路，有利于系统集成和静态低功耗要求，本论文选择基于GAPD探测器阵列的数字式CMOS读出电路进行研究和设计。 由于与InGaAs APD探测器配套，探测器与ROIC电路采用混合集成实现互连。 13研究内容与设计指标131研究内容本论文工作源于东南大学与中电44所合作完成的一种新型阵列型全集成光电传感读出电路的研发工作，根据对方提供的APD传感器性能特点和对读出电路的性能指标要求，制定了相应的实现方案。 ROIC主体采用基于脉冲飞行时问测距技术的电路方案，兼顾主被动两种控制方式，设计了一种集成像素级TDC的帧频模式ROIC。 本课题研制的单光予检测数字型传感测距读出电路，采用CMOS制造工艺并最终实现与InGaAs光电传感器GAPD的混合集成，实现完整的信号探测和数据传输功能。 读出电路中的APD探测器4万方数据第一章绪论设置在反偏静态电压较高的盖革GM模式下，以大幅提高传感器感应的电流增益值，提高探测灵敏度，实现近似的单光子响应的特性。 为提高APD探测器的可靠性和工作寿命，采用门控工作模式，传感工作的短暂瞬间仅局限于有效的门控窄脉冲周期内，门控无效时系统进入数据传输以及待机模式，同时APD探测器恢复到低静态电流的偏置状态下。 采用主动淬火电路(Active QuenchingCircuit，AQC)控制探测器在这两种模式间的自主快速且可靠地切换，一方面改变所需的偏置电压，另一方面输出传感检测响应信号。 ROIC读出电路的主体部分采用数字控制技术和数字电路，同时感应的信号也是标准的数字信号，在芯片内部相关控制信号的协调下，有序将感应的数据读出并输入到外部的存储电路或主机系统，供后续电路做进一步的数字信号处理，实现精确的测距成像功能。 结合课题组ROIC红#I-N距读出电路的设计与开发工作，论文主要研究内容包括1)读出电路工作模式及控制方式的对比、分析与选择；2)ROIC读出电路系统架构的设计研究，具体包括像素级TDC的设计与分布、数据锁存及传输等；3)ROIC读出电路的可测性设计与分析，包含测试信号产生，测试结构设计，数据译码处理等。 4)ROIC的实验验证与分析，通过仿真分析和流片测试，验证了所设计的数字式ROIC的功能正确性，分析测试过程中性能指标上的误差原因，给出电路系统改进设计的指导原则和方法。 132设计指标本课题针对新型GAPD阵列型全集成光电传感读出电路进行了研究设计，最终完成电路版图和系统电路前仿、模块电路后仿等工作，并完成相应的流片测试工作。 采用CSMC051am CMOS工艺设计，具体的设计指标如表11所示。 表11GAPD阵列型全集成光电传感读出电路设计指标参数名称参数指标或内容二维阵列规格像元中心距离传感器雪崩淬灭恢复方式门控信号时间间隔测量方式时间分辨率测距量程帧频数据输出方式8x8_1509m门控10ns-109s可调LFSR延迟线式TDClns12-15bit1kHZ行选通串出上表中，读出电路的二维阵列规格和像元中心距离两个参数与InGaAsAPD探测器阵列相配套，读出电路像素单元与单个APD探测器一一对应。 因此，这两个参数的设定除去考虑读出电路自身的结构特点和制造工艺外，还需考虑可保证有效、可靠、持续探测的APD探测器阵列大小。 目前，根据成像系统实验时的实际APD工作情况和拟流片工艺条件，读出电路设计时的主要阵列规格有2 2、3x3和88，像元中心距离在1509m以内，与国外主流水平尚存在较大差距。 针对红外测距成像这一具体应用，集成型计时电路时间分辨率的国际先进水平为05ns左右。 当较长距离测距成像时，5万方数据东南大学工程硕士学位论文时间测量的线性度和稳定性是衡量读出电路性能的最重要指标，这也是本文工作的难点和努力方向。 而其他参数指标相互制约和影响，如采用基于门控的帧频式读出电路架构可有效降低静态功耗，行选通串出的数据输出形式了限制了阵列型读出电路理论上可达到的最大帧频，基于延迟线的两段式TDC在保证时间分辨率的同时可兼顾量程等。 本论文工作力争在完成读出电路完整结构功能验证的同时，实现上述指标要求，为后续项目工作的延伸及开展奠定基础和指明方向。 14组织结构论文由六章组成，具体章节安排如下第一章绪论。 本章主要阐述激光雷达测距成像系统读出电路的研究背景与意义，介绍其国内外研究现状及发展动态，给出论文工作的主要研究内容、设计指标与论文组织结构。 第二章激光测距成像读出电路原理研究。 本章主要从激光测距成像读出电路设计的原理入手，分析介绍激光测距成像系统的主要功能、性能参数、读出电路的时序控制方式及读出电路的系统架构类型，突出ROIC系统架构及时序设计对于达到成像系统主要性能参数指标的重要性。 第三章GAPD阵列型全集成光电传感读出电路设计。 本章重点阐述分析读出电路的具体设计方案和相关关键技术细节，主要包括AQC模块、像素电路模块、时序控制模块和读出接13模块等。 首先根据第二章的原理分析，明确ROIC的系统架构和时序控制方式，重点阐述像素级TDC电路以及ROIC数据读出方式的设计。 第四章读出电路仿真分析与时序功能验证。 本章主要对读出电路的子模块、单像素级电路和阵列级电路进行模块、功能和系统级仿真分析，并对完整的读出电路完成功能验证，以验证系统功能的正确性和有效性。 第五章读出电路版图设计与流片测试。 本章主要给出读出电路的版图设计并进行流片测试分析，首先根据ROIC系统原理图及版图，制定测试方案，给出测试原理图，完成对所设计的读出电路的测试和数据，最后根据测试结果完成对电路性能指标的评估，对实际存在的各类问题完成误差故障的定位与分析，给出改进设计的指导原则。 第六章总结与展望。 本章主要对论文工作进行了全面总结，在全面工作总结的基础上，提炼归纳本文的特色和贡献，并对论文工作中遇到的问题提出合理的改进和优化建议。 6万方数据第二章激光测距成像读出电路原理研究第二章激光测距成像读出电路原理分析本章首先对激光测距成像读出电路的应用背景进行了简要的介绍，然后从其设计原理入手，分别归纳分析了激光测距成像系统的主要性能参数需求、读出电路的时序控制方式及读出电路的系统架构类型，最后提出了论文工作中ROIC系统架构及时序设计的考虑。 21红外读出电路传感检测基础211G-APD光电探测器长期以来，光电二极管APD以其良好的微弱光探测能力，一直是光电技术的研究重点，基于其构建的单光子计数系统广泛运用于量子通信、三维成像技术和大气环境监测等领域【32】。 图21显示了APD管的工作模式划分【18】，分别有普通二极管模式(线性，无增益)、雪崩模式(线性，电流增益约为10100)和盖格模式(非线性，电流增益范围103105)。 100LOl唾。 1rcrersc bias(叻图21雪崩光电二极管APD的工作模式图基于GAPD探测器阵列的数字式CMOS读出电路，在门控有效期内提供的偏置电压需将雪崩光电二极管探测器设置在反偏静态电流较高的可探测工作模式下，即盖革模式下，用以大幅提高探测器电流感应的增益值，实现单光子响应的特性【17】。 当APD的偏置电压高于其雪崩临界电压时，光生载流子在耗尽层被电场加速并达到饱和漂移速度，高速运动的载流子与晶格原子碰撞后将使原子最外层的价电子激发，进而产生电子空穴对。 在电场作用下，新产生的电子空穴对被持续加速，又与晶格原子碰撞产生新的电子空穴对，这一过程不断循环的结果，可使载流子数目在势垒区内按指数级数快速增长，产生持续不断的雪崩电流，并经后续AQC电路的检测，可产生驱动计数器开始或停止工作的数字脉冲信号。 显然，APD反偏电压越大，内部PN结反偏电场越强，载流子获得的能量越大，碰撞产生电子空穴对的概率越高，即APD的电流增益也越高，但反偏电压过大会带来过大的静态电流，影响电路的功耗和可靠性，因此APD反偏电压需要精确调控。 光电二极管APD的主要特性参数有1)雪崩电压(Breakdown voltage，VBR)APD的雪崩电压，即APD刚能发生自持雪崩增益时加在APD两端的电压。 APD的雪崩电压值可以通过测量APD的IV特性曲线获得，如图21所示。 雪崩电压与APD的工作温度正相关，温7盘舡h警V封mo站k万方数据东南大学工程硕士学位论文度降低时，雪崩电压也随之降低。 因为晶格的散射作用在温度较低时会被减弱，从而增加了载流子的平均自由程，载流子在较低的场强下就可以获得足够的能量碰撞出电子空穴对，因而降低了雪崩电压。 2)电流增益倍增系数MAPD的电流增益定义为总输出电流I与起始电流Io之比，其中起始电流Io是光电流Ipo幂fl暗电流Id0之和。 倍增系数的大d,jfn APD的材料、结构以及p-n结上的反相偏置电压有关。 3)量子效率”量子效率是描述光电器件光电转换能力的一个物理量，即收集到的载流子数与入射到光电器件上的光子数之比。 而对于用于单光子探测的APD来讲，量子效率表征了入射光子触发自持雪崩的概率。 主要有以下三个概率共同决定入射光与APD的耦合概率、光子在APD内部被吸收并产生光生载流子的概率、光生载流子触发雪崩的概率。 4)暗电流与暗计数(Dark counts)理想条件下，APD在没有光入射时应没有光电流输出。 但实际环境中，由于热激发、宇宙射线或放射性物质的激励等，当没有光入射时，APD仍有可能产生光电流输出，这种电流即被称为暗电流。 对应地，在单光子探测中，由于暗电流引发的计数称为暗计数。 引起暗计数主要有以下三个因素热噪声引起的随机热噪声电流、隧道效应引起的隧穿电流、APD材料缺陷中心俘获载流子而再释放引起的后脉冲效应。 后脉冲效应是引起暗计数的最主要因素之一。 APD雪崩发生时，倍增区材料中的任何缺陷都会成为载流子的捕获中心，一些载流子被这些低能级缺陷所捕获。 APD雪崩被抑制后，这些缺陷中心开始释放载流子。 若此时APD两端的电压仍大于雪崩电压，这些载流子就会再次触发雪崩，产生与前一次雪崩完全一样的后脉冲，在无光子到达时仍会引起一次暗计数。 APD的偏置电压越高，雪崩持续时间越长，后脉冲现象越明显。 APD检测电路结构如图22所剥321。 考虑传感器可靠性、稳定性和长期工作的寿命要求，这种高压反偏的盖革模式仅能在传感工作的短暂瞬间有效，进入数据传输及待机模式时，传感器应恢复!ft(ti静态电流的偏置状态。 为此，AQC电路中存在主动抑制电路【331，实时控制APD的工作状态，提高GAPD探测器灵敏度高，可有效拓展测距距量程，消除后脉冲现象。 偏置电压图2-2APD雪崩电流检测原理图8万方数据第二章激光测距成像读出电路原理研究为确保检测灵敏度，降低误差，探测开始时APD探测器需进入雪崩击穿状态等待接收光子，这一状态模式的设定与传感器的工作机理有关f17】。 雪崩光电二极管为具有内增益的光伏电池，其电流增益经验函数为【40】M=上一(2-1)lf旦1LR式中矿为雪崩光电二极管的反向偏置电压，珞R为雪崩光电二极管的雪崩电压。 从经验公式(21)可以看出，当矿接近R时，M迅速增大；当相等时，M趋于无穷大，此时APD工作于盖革模式下。 当有光子入射时，光生载流予将触发雪崩，并产生自持雪崩电流，该电流经检测后可以产生计数脉冲。 一般地，外部提供的反向偏置电压超出APD雪崩电压23V(称为过偏压)，以保证APD单光子探测的可靠性和灵敏度。 当单个APD探测器扩展为阵列型探测器时，由于每个APD制造过程中的离散性和外部提供反向偏置电压的统一性，就造成了面阵型APD探测器的非均匀性问题。 假设面阵中所有APD探测器的反向偏置电压相同，则面阵的均匀性主要与各个独立APD的雪崩电压和检测电路中衬底等效电阻有关。 不同的雪崩电压会影响各个APD的过偏压从而影响APD光生电流的大小。 APD接收到光子后，光生电流会在衬底等效电阻上产生电压从而减小检测电阻上的上冲电压，不同衬底等效电阻会导致检测电路中检测电阻的上冲电压不同进而引起非均匀性。 212脉冲飞行时间测距基于GAPD探测器阵列的数字式CMOS读出电路中，集成有阵列型计时电路，并与Geiger模式APD阵列一一对应，进而形成完整的测距三维成像探测器。 当用激光脉冲对目标进行照射后，每个探测器像素中的计时电路均对目标像素进行脉冲飞行时间的测量，实现无扫描式测距，其原理结构如图23所示【341。 激光发射器发射激光的同时，所有像素中的计时电路同步开始计时工作，而当Geiger模式探测器每检测到一个或多个反射回的激光光子时，即输出一个数字