GM-APD 阵列高精度像素读出电路设计 - 红外与激光工程.PDFVIP

第46卷第1期 红外与激光工程 2017年1月 Vol.46No.1 InfraredandLaserEngineering Jan.2017 GM-APD 阵列高精度像素读出电路设计 1 1 1 1 2 赵佳姮 ，赵毅强 ，叶 茂 ，夏显召 ，周国清 (1. 天津市成像与感知微电子技术重点实验室(天津大学)，天津 300072； 2. 桂林理工大学 广西空间信息与测绘重点实验室，广西 桂林 541004) 摘 要院提出并设计了一种适用于激光3D成像的盖革模式雪崩光电二极管 (Geiger-modeavalanche photodiode，GM-APD)阵列像素读出电路。基于飞行时间(time-of-flight，TOF)原 ，像素读出电路主 要由两部分组成：有源淬火电路 (activequenchingcircuit，AQC) 和时间数字转换器 (time-to-digital converter，TDC)。所采用的TDC是粗细结合的两段式计数方式，成功实现了时钟频率和时间分辨率间 的折中。基于内插技术，由粗计数的线性反馈移位寄存器和细计数的延时线型TDC共同实现了高达 18-bit的动态范围。同时两者的时钟频率分别降低至250MHz和500MHz，分别是常规设计频率的1/20 和1/10，大大降低了设计和应用难度。电路采用SMIC0.18滋m 工艺设计，后仿结果显示达到了200ps 的高精度时间分辨率，对应的距离分辨率为3cm，完全能够满足3km激光3D成像中的测距要求。像 素电路版图面积小于50伊9 滋m ，总功耗为0.89mW，具有小面积和低功耗的优势。2 关键词院读出电路； 盖革模式雪崩光电二极管； 延时线型TDC； 激光3D成像 中图分类号院TN432 文献标志码院A DOI院10.3788/IRLA201746.0106007 Highprecisionpixel readoutcircuitdesignfor GM-APDarray 1 1 1 1 2 Zhao Jiaheng, Zhao Yiqiang, Ye Mao, Xia Xianzhao, Zhou Guoqing (1. Tianjin Key Laboratory of Imaging and Sensing Microelectronic Technology (Tianjin University), Tianjin 300072, China; 2. Guangxi Key Laboratory for Spatial Information and Geomatics, Guilin University of Technology, Guilin 541004, China Abstract: A pixel readout circuit was presented and designed for Geiger-mode avalanche photodiode (GM-APD) array applying to laser 3D imaging. Based on the principle of time-of-flight (TOF), the pixel readout circuit consisted of two main parts: active quenching circuit (AQC) and time-to-digital converter (TDC). The adopted TDC