一种应用于单光子探测的高速时钟电路设计

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基于雪崩光电二极管(Avalanche Photodiode,APD)的单光子探测系统在军事、光谱测量、生物发光和光纤传感等方面具有广阔的应用前景,随着对探测速度的要求越来越高,门控淬灭作为单光子探测的一种控制方式,门控时钟的频率往往决定了单光子探测的最高速率,因此,频率达到1GHz以上的门控时钟对高速单光子探测系统起着至关重要的作用。为满足单光子探测对门控时钟的要求,本文基于闭环锁频环结构(Frequency Locked Loop,FLL)设计了一款应用于单光子探测的高频时钟电路。FLL系统采用参考时钟作为输入驱动信号,通过可编程分频器改变分频比来调节输出频率,实现对输入参考频率的倍频功能。基于开关电容电阻型的频率电压转换电路采用一种互补结构,可有效降低转换电压上的文波,有利于减小输出时钟抖动;压控振荡器选用两级全差分延迟单元构成环振结构,在提高输出频率的同时有效降低功耗;整体环路采用1.8V器件设计制造,为了得到5V的输出摆幅,输出级采用电平移位电路实现输出信号由1.8V到5V的摆幅转变。本文基于TSMC 0.18μm标准CMOS工艺,在Cadence平台上完成电路参数设计、系统版图绘制和前后仿真验证。FLL系统流片测试结果表明,输出频率范围为0.65GHz~1.16GHz,在977.3MHz的典型频率下,时钟占空比为50.3%,摆幅为1.03V,均方根抖动为155.03ps(@500μs),功耗为50.4m W,输出频率可满足单光子探测门控时钟的要求,但摆幅过小限制了该时钟的应用。对测试过程中出现的问题,论文最后进行了详细的分析说明,并提出了一系列改进措施。
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