近年来随着无人驾驶、测量传感以及导弹追踪等民用和军用领域的发展,市场对于雷达的实时成像、动态感知以及形态分辨等功能要求越来越高,普通的激光雷达越来越难以满足要求。APD(雪崩二极管)三维激光雷达相比于普通的激光雷达来说,能够同时获得目标物体的强度信息和深度信息,易于辨别物体的形态、追踪运动轨迹,逐渐在各个领域获得应用。对于激光雷达系统来说,焦平面阵列读出电路是最为重要的一个模块,负责目标信号的处理工作,决定了系统性能。目前,APD三维激光雷达焦平面阵列读出电路缺乏一种光电一体化设计方案,APD的光电转换特性被电路设计者忽略,这样会造成设计出的读出电路与光学前端不匹配。本文先介绍和分析了APD三维激光雷达阵列焦平面读出电路的国内外研究现状和发展趋势;再具体分析了APD的参数、三维激光雷达系统的工作原理和参数,并把系统参数分解到APD和电路层面,为后续模型建立和电路设计提供指导;然后根据APD的参数和光电转换物理过程建立了光电一体化模型,用来指导之后的读出电路设计;接下来详细分析和设计了焦平面阵列像元读出电路,分别从信号放大模块、比较器模块和TDC模块提高精度、降低延迟;最后提出了步进误差和非均匀性的校正方案,解决了步进误差和非均匀性导致系统存在误差的问题。论文主要工作和创新点如下;(1)详细分析了APD光电转换特性的物理基础,推导出了阳极、阴极、吸收区和倍增区的载流子变化方程,然后基于PSpice建立了APD四个区域的电路模型和APD光电一体化模型,给出了APD的暗电流、光电流和脉冲响应特性,为后续电路设计提供了光电一体化设计视角。(2)以APD光电一体化模型为基础,详细分析并设计了APD焦平面像元读出电路结构,给出了总体设计方案,并分别分析并设计了信号放大结构、比较器结构和TDC结构。信号放大结构完成了强度信号的采集,具有良好的线性度;比较器采用三级结构实现了5.71ns翻转延迟,降低了系统总体延迟;TDC采用两级技术结构,完成了深度信号采集,满足了0.5ns的设计精度要求。(3)提出了步进误差校正方案,设计了校正电路,推导了校正范围,比较器的步进误差可以从3.4ns被缩短至0.4ns,像元输出的步进误差可以从3.2ns缩短至0.8ns。以光电一体化视角推导出像元之间存在的非均匀性,设计了校正电路。