【摘 要】
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随着现代科学技术和信息处理技术的蓬勃发展,光电探测作为一门研究光电转换的新兴技术,因测量精度高、速度快、非接触、响应频带宽、信息容量大等特点,已成为现代信息科学的重要分支,广泛应用于制造业、植业、林业、交通运输业、通讯产业、公共服务业等。光电探测系统中的核心光电转换器件为探测器,光电流中包含的相关信息需要后续接口电路和读出电路(Readout Circuit,ROIC)进行相关处理和分析,最终转换
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随着现代科学技术和信息处理技术的蓬勃发展,光电探测作为一门研究光电转换的新兴技术,因测量精度高、速度快、非接触、响应频带宽、信息容量大等特点,已成为现代信息科学的重要分支,广泛应用于制造业、植业、林业、交通运输业、通讯产业、公共服务业等。光电探测系统中的核心光电转换器件为探测器,光电流中包含的相关信息需要后续接口电路和读出电路(Readout Circuit,ROIC)进行相关处理和分析,最终转换成数字信号并为后续成像显示提供数据支持。本文针对两种不同材料、不同工作模式的雪崩二极管(Avalanche Photon Diode,APD),根据其相应的光电感应特性设计了两款电流检测接口电路,分别实现对盖革模式(Geiger Mode,GM)下碳化硅(SiC)APD、线性模式(Linear Mode,LM)下碲镉汞(HgCdTe)APD的光电流信号进行检测并输出用于信号处理的数字逻辑电平。所设计的盖革模式接口电路在实现对雪崩电流的感应、对APD的淬灭和复位功能的前提下,重点关注阵列APD击穿电压的非均匀性问题。针对阵列APD增益不均匀性的问题,提出了一种电流模方式的APD增益自动调节电路,采用电流镜的方法实现了对APD偏置电流的调节功能,进而实现了对APD过偏压的一致性调节。同时本文针对线性接口大阵列的应用要求,提出了一种高增益、宽带宽的跨阻放大器(RTIA)电路,以较小的面积和功耗实现了雪崩信号的快速检测,该电路可用于128×128大规模阵列接口电路中,配合TDC模块最终实现激光测距功能。本文分别基于TSMC 0.35μm和TSMC 0.18μm CMOS工艺,完成了对盖革模式和线性模式电流检测接口电路的设计和流片工作。盖革模式接口电路的后仿真结果显示,所设计的电流偏置电路产生的电流的可调范围为0~1480nA,满足待测状态下对APD静态电流调节范围的需求。当静态电流从400nA变化到1000nA时,接口电路对第2~8号APD的反偏电压调节误差仅有0.76mV。盖革模式接口电路的测试结果表明,所设计的1×8盖革模式电流检测电路具备复位、雪崩电流感应、淬灭、增益自适应调节功能,与增益无调节的测试结果相比,APDs的暗计数率(Dark Count Rate,DCR)在同一偏置电流下几乎相等,线阵APD实际应用时各像素的雪崩增益均匀性得到了提高。线性模式接口电路中的前端放大器的后仿真增益为112.8dBΩ,带宽为199.4MHz,因测试条件限制,仅对其增益性能做了相关测试,测试结果显示前端放大器电路的增益约为97dBΩ。
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