1、工作在蓋革模式下的高增益雪崩光電二極管，具備對近紅外激光的單光子探測能力，已在三維激光雷達成像、空間探測、地形探測以及軍事偵察監(jiān)視、預警探測等領域獲得了廣泛的應用。特別是隨著陣列式探測應用的不斷擴展，以及對檢測量程和分辨率等關鍵技術(shù)指標要求的不斷提高，紅外單光子陣列探測技術(shù)的持續(xù)深入發(fā)展面臨著越來越大的挑戰(zhàn)。
　　本文針對計時型陣列SPAD對應用讀出電路的需求，以解決大陣列應用中功耗、面積、噪聲和非線性寄生效應對系統(tǒng)性能的制約為主

2、要目標。論文建立了一種SPAD等效模型，研究了SPAD雪崩信號快速檢測與淬滅、光子飛行時間高精度與寬量程量化等關鍵技術(shù)，基于TSMC0.35μm Mix3.3V/5V CMOS工藝，設計并實現(xiàn)了一款基于光子飛行時間測量的數(shù)字式陣列型讀出電路芯片，像素面積100μm×100μm。芯片采用凸點混合封裝工藝實現(xiàn)與InGaAs SPAD陣列的互連，利用建立的硬件、軟件測試平臺，完成對讀出電路的測試。測試結(jié)果與理論分析和設計基本相符，且電路主要性

3、能達到預期指標要求。研制的SPAD陣列讀出電路在遠距離輪廓成像、空間碎片探測等領域獲得了初步的實際應用。論文的主要研究工作如下:
　　1、基于單光子雪崩光電二極管的物理機制與輸出特性，提出了一種采用等效電路與Verilog-A描述的混合建模方法，建立了APD探測器在全工作區(qū)內(nèi)的SPICE模型，可用于APD器件在不同模式下的交直流和瞬態(tài)仿真，不但解決了多模式工作區(qū)擬合精度控制的難題，同時還利用偽最大最小函數(shù)的二次嵌套式擬合方法，解決

4、了分段曲線擬合中邊界局部區(qū)域的斷點問題，有效消除了因不收斂而導致的異常中斷，提高了模型應用的可靠性，在整個工作區(qū)域內(nèi)擬合曲線與測試數(shù)據(jù)的方差為4.367×10-10，模型的擬合精度可達99％。
　　2、對蓋革模式APD在瞬態(tài)檢測過程中感應雪崩電流的非線性特性進行了相關理論研究，在此基礎上提出了一種采用電阻低壓檢測并利用雪崩信號的快速響應特性而實現(xiàn)的非線性抑制方法。為降低像素面積，實際接口電路中采用MOS電阻以感應并轉(zhuǎn)換雪崩電流，采

5、用一種基于失調(diào)控制的翻轉(zhuǎn)閡值為340mV差分比較電路以檢測判別雪崩信號，上升延遲為0.2ns，淬滅時間2.16ns，檢測延遲1.62ns。
　　3、為限制像素功耗和面積，提出了一種利用SPAD結(jié)電容感應電流實現(xiàn)雪崩檢測的接口電路方案，相比同等工作條件下的電阻型電流感應接口電路功耗節(jié)省的30％以上，同時通過電路時序控制，避免了因漏電引起電容檢測誤觸發(fā)的可能性，確保實際應用的可靠性。通過像素面積及系統(tǒng)功耗控制，基本解決了大陣列應用中由

6、于較大瞬態(tài)功耗而帶來的探測器供電電壓跌落問題，改善了陣列系統(tǒng)性能。
　　4、讀出電路采用低段TDC與全局時鐘共享、高段TDC像素獨享的系統(tǒng)架構(gòu)，提出了一種基于數(shù)字延時環(huán)(DLL)壓控環(huán)振時鐘驅(qū)動的兩段式TDC設計，通過閉環(huán)反饋控制提供穩(wěn)定分相時鐘、消除時鐘抖動積累，同時采用門控環(huán)振控制技術(shù)消除隨機初相誤差;采用低建立保持時間的TSPC DFF以控制面積、減小鎖存誤碼;配合H時鐘樹布線結(jié)構(gòu)控制像素時鐘、控制信號信號的延時一致性。研制