【摘 要】
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基于门控工作方式的单光子探测技术,作为超高灵敏探测方案,被广泛应用于生物突光检测、微尺度测距、量子通讯等众多领域中。近年来,随着门控频率的提高,门信号脉冲宽度持续缩短,尖峰噪声信号与雪崩信号在门控可探测窗口内混叠难以避免,为检测带来了很大挑战。基于滤波器方案的检测电路可有效的解决上述困难,将混叠信号从频域角度分离,为了精确检测出微弱的雪崩信号,要求滤波器同时具备宽带宽、高阻带衰减、高线性度及低噪声
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基于门控工作方式的单光子探测技术,作为超高灵敏探测方案,被广泛应用于生物突光检测、微尺度测距、量子通讯等众多领域中。近年来,随着门控频率的提高,门信号脉冲宽度持续缩短,尖峰噪声信号与雪崩信号在门控可探测窗口内混叠难以避免,为检测带来了很大挑战。基于滤波器方案的检测电路可有效的解决上述困难,将混叠信号从频域角度分离,为了精确检测出微弱的雪崩信号,要求滤波器同时具备宽带宽、高阻带衰减、高线性度及低噪声性能。本文通过搭建GHz门控的电路仿真模型,仿真分析了其输出的尖峰噪声及雪崩信号的频谱特性,以此为基础确定了滤波器的传输特性及电路架构。以宽带、低噪声、高线性等为目标,通过级联双二次型结构设计了一款10阶Gm-C低通滤波器,给出了具体的电路结构。高阶的宽带低通滤波器难点在于功耗性能的折中及稳定性的保证,因此本中着重对滤波器中的跨导放大器、共模负反馈电路、二次型滤波结构及带隙基准电路模块进行了研究。跨导放大器采用互补型全差分结构提高跨导能效,并加入辅助交叉对管消除非线性项提升跨导的线性度;跨导共用共模负反馈结构,降低了电路的整体功耗和面积,同时针对宽频带设计下电路稳定性问题,在共模负反馈电路中加入频率补偿提高宽频带下电路的稳定性;并使用温度及工艺精度较高的电流模带隙为滤波器提供多基准电压及电流偏置,保证二次型滤波结构多级级联的稳定性。在完成滤波器设计的基础上,将其在版图层面与其余电路拼接整合于单光子探测系统电路中,验证其功能的正确性。基于TSMC 0.18μm标准CMOS工艺,对滤波电路采用Candence Spectre工具进行仿真,得到滤波器带宽为500MHz,1GHz处阻带衰减为-58.8d B,在频率5MHz-1GHz频带内积分噪声为0.51m V,IIP3为5.1d Bm,功耗为41m W。针对GHz窄门控测试条件受限,采用外部信号叠加模拟激励方式对单光子探测系统进行测试,测试结果表明系统电路具备GHz门控检测能力,证明了本文设计的滤波器具备预期的功能并且性能满足实际应用需求,间接验证了滤波电路达到或接近指标要求。
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