时间相关单光子计数(TCSPC)系统具有非常高的灵敏度和线性动态范围,正因为如此,其越来越广泛地应用于荧光寿命检测、激光测距和扩散光学层析成像等。TCSPC技术针对的是微弱光电信号的检测,其主要工作是处理工作在高频下的周期性激光束与受该激光束激发的荧光光子之间的时间间隔,并通过相应的处理快速记录并构建时间光子直方图,该直方图直接反映的是荧光光子发射概率随激发时间的变化关系。单光子计数系统中的关键仪器主要有高频激励源、单光子探测器、时间测量模块以及多道脉冲高度分析器(MCA),而如何提高TCSPC系统的时间分辨率、测量精度以及传输速度仍是当前研究的热点话题。基于荧光寿命检测的研究背景,本文对TCSPC系统的设计进行了研究与分析。针对测量精度、时间分辨率与传输速度的设计需求,对TCSPC系统内部单元模块进行了分析与设计,主要的研究工作如下:1、为了降低由振幅抖动带来的定时抖动的影响,本文设计了一种结合上升沿鉴别器以及过零水平调节电路的恒比鉴别器(CFD)电路,并对延时/衰减电路、正发射极耦合逻辑(PECL)电路以及真单相时钟(TSPC)D触发器进行相应的分析和优化。当过零水平设置为0.2V时,CFD电路实现的时间游离(Time Walk)达到了6.19ps。2、为了实现较高的时间分辨率和转换速度,本文设计了一种将时间幅值转换器(TAC)和模数转换器(ADC)相结合的时间测量模块。其中,TAC电路主要由带隙基准源、V-I转换电路,差分运算放大器电路以及全差分运算放大器电路组成。ADC则采用了具有低功耗、中等精度以及中等转换速度的12位逐次逼近型(SAR)结构。本文首先对带隙基准源电路进行了优化设计,实现了较低的温度系数以及较高的电源电压抑制比(PSRR),为恒定电流的设计提供了可靠性;然后对两种运算放大器进行了优化设计,实现了较高的直流增益、带宽和摆率等,保证了TAC电路的转换精度和响应速度;最后对12bit SAR ADC进行了优化设计,实现了较高的转换精度和速度。3、利用Cadence软件完成了TCSPC系统的设计。在3.3V的电源电压以及2MHz的工作频率下,时间测量模块的时间分辨率达到了31.8ps,单光子计数系统实现的转换误差为1.412m V,整体平均功耗为142.7m W。最后,基于韩国Dong Bu Hi Tek 0.18μm1P4M BCD工艺完成了TCSPC系统的版图设计和流片,整体版图面积为1680?1700μm~2。