基于GM-APD阵列的无扫描激光雷达具有单光子探测灵敏度、探测距离远、快速高效等特点,可用于战场运动目标、伪装隐藏目标的快速识别,以及军事侦察监视、预警探测等,已成为各发达国家国防研究的重大项目之一。但随着GM-APD阵列规模的不断扩大,阵列APD非均匀性、寄生效应、噪声干扰以及高功耗、电压衰减等非理想因素对于电路的负面影响越发严重,与之对应的读出电路ROIC的设计复杂度和成本急剧增加,严重限制了大规模APD阵列的应用。本文设计了一种新型的阵列型传感读出电路,可与InGaAs APD 64×64阵列混合集成,实现对远距离目标的主动三维成像。论文首先对读出电路工作原理和系统架构类型进行阐述,重点分析大规模APD阵列应用中的非理想因素,结合特定的设计指标需求和现有的各系统架构的优点,提出了一种针对大阵列应用的低段TDC共享型系统架构,以实现系统时间分辨率与量程、功耗之间的指标平衡,并完成系统工作模式、工作时序、电路模块设计。其次,针对大阵列非均匀性、电压衰减、寄生效应等非理想因素,完成系统时钟传输网络、电源网络设计。在此基础上,完成像素电路阵列布局、系统可测性设计以及完整的系统电路实现。电路采用TSMC 0.35μm标准CMOS工艺实现,通过Cadence EDA工具进行系统前仿和关键模块电路后仿,并进行流片验证。读出电路工作电压3.3V,接口工作电压5V,阵列规模64×64,像素面积100μm×100μm。仿真结果表明,系统功能正常,通过调节TDC频率,可实现0.5～2 ns的时间分辨率。芯片测试结果表明,在较低的TDC频率下,系统功能正常,时间分辨率2ns左右,且具有较好的线性度和稳定性。通过提高TDC频率,系统时间分辨率同步提高,在较高的TDC频率下,由于功耗过高,导致系统性能受限,实际应用中,采用2ns的时间分辨率。系统各项指标符合设计要求,并接近同阵列规模的国际先进水平。