雪崩光電二極管陣列型全集成傳感讀出電路設(shè)計(jì).doc

雪崩光電二極管陣列型全集成傳感讀出電路設(shè)計(jì) THE DES IGNOF FULL，YTEGRATEDI冱ADOUT CIRCUITBASED ONAVALANCHEPHOTON DIODESENSORARRAYA ThesisSubmitted toSoutheastUniversityFor theAcademic Degreeof Masterof EngineeringBYYangJunhaoSupervised byProfessor脅JinandSenior EndNie We id on gn lo rtmglneereloongSchool ofIntegrated CircuitsSoutheast UniversityJunexx萬方數(shù)據(jù)一東南大學(xué)學(xué)位論文獨(dú)創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的學(xué)位論文是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。 盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得東南大學(xué)或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。 與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。 研究生簽名l疊盜潼日期幺雌弛東南大學(xué)學(xué)位論文使用授權(quán)聲明東南大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)信息研究所、國家圖書館有權(quán)保留本人所送交學(xué)位論文的復(fù)印件和電子文檔，可以采用影印、縮印或其他復(fù)制手段保存論文。 本人電子文檔的內(nèi)容和紙質(zhì)論文的內(nèi)容相一致。 除在保密期內(nèi)的保密論文外，允許論文被查閱和借閱，可以公布(包括刊登)論文的全部或部分內(nèi)容。 論文的公布(包括刊登)授權(quán)東南大學(xué)研究生院辦理。 研究生簽名游導(dǎo)師簽名萬方數(shù)據(jù)摘要摘要激光雷達(dá)作為一項(xiàng)正在迅速發(fā)展的高新技術(shù)，以其極高的角度、速度、距離分辨率等特點(diǎn)在偵察用成像系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域受到各國的極大關(guān)注。 近些年，隨著新型光電探測器一具有單光予探測能力的雪崩光電二極管的出現(xiàn)，基于傳感器陣列結(jié)構(gòu)的應(yīng)用受到越來越多的關(guān)注。 而與之對應(yīng)的激光測距讀出電路以其數(shù)據(jù)采集的高精度和高密集度，在紅外探測成像領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用。 單光子傳感陣列讀出電路，通過讀出光子從發(fā)射到傳感器接收反射光子的時(shí)間，達(dá)到測距的目的。 傳感器采用具有單光子響應(yīng)的工作于蓋革模式的InGaAs雪崩光電二極管。 讀出電路主體采用幀頻式順序存取型架構(gòu)，包含有基于門控的淬火恢復(fù)電路、像素級TDC電路、時(shí)鐘管理電路和時(shí)序控制電路等。 為同時(shí)滿足較寬動態(tài)范圍和較高時(shí)間分辨率，并兼顧面積考慮，像素級計(jì)時(shí)電路采用了兩段插入式TDC結(jié)構(gòu)。 針對舊版讀出電路高頻時(shí)鐘外接后計(jì)數(shù)初相隨機(jī)引發(fā)的測量精度下降問題，提出了一種激光發(fā)射與計(jì)數(shù)同步而與傳感器門控偏置異步、主被動聯(lián)合控制的工作時(shí)序，并加入DLL模塊進(jìn)行時(shí)鐘相位處理，改善了外接高頻時(shí)鐘下的精度問題，提高了傳感器偏置于蓋格模式下的靈活性。 本文提出的讀出電路采用CSMC059m CMOS工藝實(shí)現(xiàn)，經(jīng)Cadence EDA工具驗(yàn)證，完成系統(tǒng)電路前仿和關(guān)鍵功能模塊電路的后仿并流片測試。 該電路系統(tǒng)的工作電壓為50V，其二維陣列規(guī)格有8x8和3x3兩種，像元中心距離51509m，仿真結(jié)果表明讀出電路的時(shí)序功能正確，其時(shí)間分辨率可達(dá)到1ns以內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求。 測試結(jié)果顯示芯片功能正常，但由于實(shí)際內(nèi)部高頻環(huán)振的頻率穩(wěn)定性問題，測量精度下降到15ns左右。 該讀出電路可與傳感器陣列進(jìn)行混合封裝，加入外圍控制電路和信號處理電路后進(jìn)行測距成像實(shí)驗(yàn)。 GAPD陣列作為一種全固態(tài)的探測器，在微弱光、高分辨率三維成像領(lǐng)域顯示出極強(qiáng)的技術(shù)優(yōu)勢和廣泛的應(yīng)用前景，本文研究成果探索出一種實(shí)現(xiàn)這種應(yīng)用切實(shí)可行的技術(shù)路徑。 關(guān)鍵詞激光雷達(dá)，紅外測距讀出電路，蓋格模式，雪崩光電二極管，混合封裝萬方數(shù)據(jù)東南大學(xué)工程碩士學(xué)位論文II萬方數(shù)據(jù)AbstractA bstractLaserradar asarapidly developinghightech，with itshigh angle，speed，distanceresolutioncharacteristics，turns toa greatconcern in the field of imagingsystems applicationsIn recentyears，as theemergenceof anavalanche photodiodewith singlephoton detectioncapabilities，the arraystructure ofdetectorsattracts moreand moreattentionThe correspondingreadout circuitplays anirreplaceable rolewiththe highprecision and high-density ofdata collectionThe ROICachieves thepurpose ofranging bymeasuring the time of the emittedphotons flight，withthe InGaAs avalanche photodiodein Geiger modeThe mainstructure of ROIC isthe framerate readoutandsequential aessstyle，including gatedcontrol activequenching circuit，the pixel-level TDC，clockmanagement circuitryand timingcontrol circuitTo satisfya widedynamic rangeandhightemporalresolution，as wellas thearea size，the pixelcircuit USeSa two-stage TDCstructureIn orderto solvetheauracy decreaseproblem causedby therandom initialphase ofexternal highfrequency clock，an activeandpassive jointcontrol method，which meansthat thelaser transmitterand countingare synchronizedwhilethe gatecontrol signalof biasvoltage isasynchronous，is proposedThe DLLmodule isalso addedtoprocess clockphase toimprove theprecision performanceThis controlmethod alsocan improvetheflexibility of the APDin theGeiger modeThe proposedROIC isdesigned andimplemented based onCSMC O59m CMOSprocess withCadence EDAtoolsThe operatingvoltage is50V,the sizeoftwo-dimensional arrayis8x8and3x3，the centerdistance oftwo adjacentcells isless than150pmSimulation resultsshow that the functionofROICis proper,thetimeresolution isless than1nsTestresults showthatthechip worksproperly,but themeasurement auracydecreases becauseof thefrequencystability problemsofthering oscillatorA moreprehensive research，which isabout analysisandassessment principlesoftheprecision indicatorand intelligentdata processingmethods，would bepromotedThe ROICCan beintegrated withthe APDsensor arraybasedonhybridpackage technologyandconduct theinfrared imagingexperimentsAsakind ofsolid-state detector,inthefieldofweak lightandhigh resolution3D imagingGAPD arrayshows strongtechnical advantagesand applicationprospectApractical applicationoftechnology isexplored throughthe workofthis paperKeywordsLaser radar,Infrared rangingreadout circuit，Geigermode，Avalanche photodiode，Hybrid-packageIII萬方數(shù)據(jù)東南大學(xué)工程碩士學(xué)位論文萬方數(shù)據(jù)目錄目錄摘要?IAbstract?IIIEl錄?V第一章緒論?。 111研究背景與意義?112國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài)?一21-3研究內(nèi)容與設(shè)計(jì)指標(biāo)?一4131研究內(nèi)容?4132設(shè)計(jì)指標(biāo)?514組織結(jié)構(gòu)?6第二章激光測距成像讀出電路原理分析?721紅外讀出電路傳感檢測基礎(chǔ)?。 7211GAPD光電探測器?7212脈沖飛行時(shí)間測距?922成像系統(tǒng)主要性能參數(shù)?l0221系統(tǒng)成像速度?10222系統(tǒng)探測景深?10223系統(tǒng)測距精度?1023讀出電路時(shí)序?1l231讀出電路受控模式?11232讀出電路工作模式?1l233計(jì)時(shí)電路計(jì)數(shù)模式?1324讀出電路架構(gòu)?13241順序存取型ROIC?。 13242事件驅(qū)動型ROIC?。 1425本章小結(jié)?。 15第三章GAPD陣列型全集成光電傳感讀出電路設(shè)計(jì)?l731讀出電路架構(gòu)與時(shí)序設(shè)計(jì)?17311被動式ROIC控制信號流程?一17312主動式ROIC控制信號流程?。 18313ROIC控制方式擴(kuò)展?2032主被動切換式讀出電路設(shè)計(jì)?2l321主被動切換式ROIC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)?一21322關(guān)鍵功能模塊設(shè)計(jì)?21323小結(jié)?29V萬方數(shù)據(jù)東南大學(xué)工程碩士學(xué)位論文33主被動結(jié)合式讀出電路設(shè)計(jì)?29331主被動結(jié)合式ROIC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)?29332關(guān)鍵功能模塊設(shè)計(jì)?30333小結(jié)?一?3734本章小結(jié)?38第四章讀出電路時(shí)序功能仿真驗(yàn)證?。 3941仿真環(huán)境與條件?3942ROIC模塊電路仿真?。 39421主被動切換式ROIC模塊電路仿真與分析?39422主被動結(jié)合式ROIC模塊電路仿真與分析?一4343ROIC系統(tǒng)電路仿真?。 46431ROIC時(shí)序功能驗(yàn)證與分析?46432ROIC精度性能仿真與分析?4744LFSR偽隨機(jī)碼譯碼方案設(shè)計(jì)與仿真?5245本章小結(jié)?55第五章讀出電路版圖設(shè)計(jì)與芯片測試?5751版圖設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)?57511版圖繪制準(zhǔn)備?一57512版圖繪制過程?57513版圖驗(yàn)證與數(shù)據(jù)提交?5952讀出電路系統(tǒng)版圖設(shè)計(jì)?5953讀出電路后仿真?60531主被動切換式ROIC關(guān)鍵模塊后仿?一60532主被動結(jié)合式ROIC關(guān)鍵模塊后仿?6154芯片測試結(jié)果分析?6355本章小結(jié)?73第六章總結(jié)與展望?7561論文總結(jié)?7562研究展望?76參考文獻(xiàn)?。 77j$C謝?8l攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文?83VI萬方數(shù)據(jù)第一章緒論第一章緒論帚一早瑁T匕激光雷達(dá)作為一種正在迅速發(fā)展的高新技術(shù)【H】，以其在角度、速度、距離分辨率等方面具備的極高的精度性能特性，在傳感檢測成像系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域受到廣泛的關(guān)注。 隨著微電子技術(shù)與光電信息傳感檢測技術(shù)日新月異的發(fā)展，激光測距讀出電路正在向數(shù)據(jù)傳感檢測與采集的高精度、數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咚倥c高密集度方向發(fā)展，并在紅外探測成像領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用59】。 本章主要闡述激光測距成像系統(tǒng)的研究背景與意義，綜述該領(lǐng)域國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài)，在此基礎(chǔ)上給出論文工作的主要設(shè)計(jì)指標(biāo)以及論文的組織結(jié)構(gòu)。 11研究背景與意義以信息技術(shù)為核心的高新技術(shù)的迅速發(fā)展與應(yīng)用，帶來世界軍事與民用領(lǐng)域的深刻變革，爭奪信息優(yōu)勢成為高技術(shù)局部戰(zhàn)爭的焦點(diǎn)。 信息獲取方式的先進(jìn)性以及對目標(biāo)識別的準(zhǔn)確性，成為爭奪信息優(yōu)勢的關(guān)鍵手段之一。 信息的獲取、探測有多種方式，其中就包含紅外激光傳感檢測技術(shù)，該技術(shù)利用紅外激光獨(dú)有的優(yōu)良特性主要有極高的角度、距離和速度分辨率、強(qiáng)抗干擾能力、體積小、重量輕、獲得目標(biāo)圖像的多樣性、目標(biāo)探測及識別的主動式探測方式等，因此在軍民用領(lǐng)域均得到極其廣泛的應(yīng)用5】f9】。 主動光電信息獲取主要依賴于激光經(jīng)被測目標(biāo)反射后光譜特征的探測，經(jīng)過電子學(xué)信號處理完成對目標(biāo)探測、目標(biāo)識別的功能，其探測技術(shù)上的先進(jìn)性是決定將來爭奪信息優(yōu)勢的關(guān)鍵因素之一。 在激光雷達(dá)偵察用成像領(lǐng)域，借助激光雷達(dá)的高分辨率，可以采集三維數(shù)據(jù)，如方位角一俯仰角距離、距離速度強(qiáng)度，并通過后續(xù)的數(shù)字信號處理將數(shù)據(jù)以圖像形式顯示，獲得幾何分布圖像、距離選通圖像和速度圖像等，紅外探測作為重要的偵察手段具有極大的發(fā)展?jié)摿Α緇】f41f7】。 紅外焦平面陣列(Infrared FocalPlane Array,IRFPA)主要由紅外探測器陣列和讀出電路(ReadoutCircuit,ROIc)陣列組成【m15】。 其工作性能既與探測器性能如量子效率、光譜響應(yīng)、噪聲譜、均勻性等有關(guān)，還與信號的形式及其輸出性能有關(guān)。 對于許多目前已成熟的紅外焦平面探測器技術(shù)來說，現(xiàn)在限制其性能的不是探測器本身，而是讀出電路部分。 對紅外讀出電路的基本要求有數(shù)據(jù)采集精度和密集度高、串?dāng)_噪聲低、動態(tài)范圍大、功耗低、對紅外探測器偏壓控制良好、陣列尺寸大和中心距小。 紅外探測器在檢測微弱的激光回波信號時(shí)極易受到各類噪聲的干擾，為使激光測距成像系統(tǒng)能夠獲得反映被測目標(biāo)特征的高品質(zhì)圖像，要求光電轉(zhuǎn)換器件即探測器具有極高的探測靈敏度與信噪比。 近年來，各類光電探測器層出不窮，工作在蓋格模式下的雪崩光電二極管(Geiger ModeAvalanchePhotonDiode，GAPD)以其具備的單光子探測潛力、全固態(tài)結(jié)構(gòu)、高信噪比、快速反應(yīng)、低功耗和獨(dú)特的信號脈沖輸出方式等特點(diǎn)，已在微光探測成像領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用【1617】。 GAPD在PIN型光電二極管的基礎(chǔ)上增加了重?fù)诫s的倍增層，對初級載流子進(jìn)行倍增進(jìn)而獲得較高的電流增益，蓋格模式下載流子發(fā)生雪崩效應(yīng)可產(chǎn)生數(shù)百微安甚至毫安量級的雪崩電流。 隨著APD制造工藝和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不斷進(jìn)步，探測器綜合性能已得到大幅度提高。 目前，APD探測器已廣泛應(yīng)用于量子信息、生命科學(xué)、極微弱光探測、遠(yuǎn)程通信以及三維激光雷達(dá)領(lǐng)域，構(gòu)成為單光子探測技術(shù)的重要基礎(chǔ)【17五01。 相比于以往的CCD讀出電路，CMOS讀出電路具有更大的性能優(yōu)勢。 CCD讀出電路具有較低1萬方數(shù)據(jù)東南大學(xué)工程碩士學(xué)位論文的噪聲，但制造工藝比較特殊、制造成本較高，再加上電路抗輻射性能較差，應(yīng)用受到嚴(yán)重限制f191。 CMOS讀出電路可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成，成本低。 理論上，基本圖像傳感器所需的功能，包括寄存器、時(shí)序控制、計(jì)算機(jī)IO接口等，都可集中在同一顆芯片上；CMOS采用標(biāo)準(zhǔn)工藝制造，因此電路設(shè)計(jì)和制造成本要低得多CMOS讀出電路還具有抗輻射能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，使其應(yīng)用范圍更加廣泛；此外，CMOS讀出電路易于實(shí)現(xiàn)低功耗，而且輸出方式靈活多變。 配合GAPD設(shè)計(jì)而成的數(shù)字式CMOS讀出電路，結(jié)構(gòu)更為簡單，受電路噪聲影響更小，易于更大規(guī)模集成。 隨著Geiger模式探測器陣列的發(fā)展，陣列集成度日益提高，擯棄了早期掃描方式的激光三維成像方式，可利用面陣型GAPD探測器，實(shí)現(xiàn)無掃描式激光三維成像，其過程如下當(dāng)用激光脈沖對被測目標(biāo)進(jìn)行照射后，每個(gè)探測器像元均對目標(biāo)像素進(jìn)行脈沖飛行時(shí)間(Time ofFlight，TOF)的測量，從而實(shí)現(xiàn)無掃描的測距I引。 采用短激光脈沖可以獲得極高的測距精度，單光子級探測靈敏度使得探測距離大大提高，并且單次脈沖探測即可獲得目標(biāo)三維距離像，成像速度大大提高。 Geiger模式探測器的飽和輸出足以驅(qū)動后端數(shù)字電路完成飛行時(shí)間的計(jì)時(shí)，使得系統(tǒng)簡化，體積更小，穩(wěn)定性更高。 基于G-APD探測器陣列的數(shù)字式CMOS讀出電路已在實(shí)際系統(tǒng)應(yīng)用中顯示出強(qiáng)大的生命力。 12國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài)激光雷達(dá)是傳統(tǒng)雷達(dá)技術(shù)與現(xiàn)代激光技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。 激光問世后的第二年，即1961年，激光雷達(dá)的設(shè)想就已提出。 經(jīng)歷50多年的研究，激光雷達(dá)技術(shù)從最為簡單的激光測距應(yīng)用開始，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展，日益豐富。 目前典型的激光技術(shù)及其應(yīng)用主要有激光跟蹤、激光測速、激光掃描成像、激光多普勒成像等，并相繼開發(fā)出適用于不同應(yīng)用場合的激光雷達(dá)，使激光雷達(dá)成為一類具有多種功能的光電系統(tǒng)【2l【31。 激光雷達(dá)仍是一項(xiàng)發(fā)展中的技術(shù)，有的激光雷達(dá)系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)生活中，但許多激光雷達(dá)系統(tǒng)仍在研制或探索之中，并在各國的國防軍事領(lǐng)域中成為一項(xiàng)關(guān)鍵的前沿技術(shù)【3】。 其中，偵察用成像激光雷達(dá)作為軍事部門大力發(fā)展的幾類激光雷達(dá)之一，更是成為發(fā)達(dá)國家在軍事和空間等敏感領(lǐng)域展開的重點(diǎn)研究項(xiàng)引1】【7】【91。 Geiger模式探測器陣列無掃描成像是目前激光雷達(dá)測距三維成像技術(shù)中的主流技術(shù)，讀出信號處理電路是激光雷達(dá)測距三維成像系統(tǒng)中的關(guān)鍵組成部分之一。 隨著微電子技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，信號處理逐漸由模擬走向數(shù)字，同樣地，按紅外CMOS讀出電路信號感應(yīng)和處理方式的不同，也從模擬式ROIC逐步擴(kuò)展到數(shù)字式ROIC。 模擬式讀出電路多用于紅外焦平面陣列被動式成像系統(tǒng)中，將紅外傳感器感應(yīng)檢測的目標(biāo)自身輻射的光信號轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號輸出，再經(jīng)ADC轉(zhuǎn)換供后續(xù)電路完成數(shù)字信號處理。 而數(shù)字式讀出電路多用于Geiger模式探測器陣列無掃描主動式成像系統(tǒng)之中，激光發(fā)射系統(tǒng)對探測目標(biāo)實(shí)施主動式照射，經(jīng)目標(biāo)反射后的脈沖激光信號被GAPD探測器檢測并直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸出，供后續(xù)電路進(jìn)行數(shù)字信號處理。 數(shù)字式ROIC具有更好的噪聲抑制、探測靈敏度和低噪聲特性，因此發(fā)展迅速，前景廣闊。 自20世紀(jì)60年代發(fā)明激光雷達(dá)以來，國外對成像激光雷達(dá)展開了積極深入的研究，并在軍用領(lǐng)域和民用領(lǐng)域都進(jìn)行了廣泛應(yīng)用。 自上世紀(jì)80年代中期以來，俄羅斯首先開展了固體APD探測器的研究工作；進(jìn)入90年代后，美國的輻射檢測儀器公司(】m)和麻省理工學(xué)院(MIT實(shí)驗(yàn)室等研究機(jī)構(gòu)，逐步對陣列型2萬方數(shù)據(jù)第一章緒論APD設(shè)計(jì)及其制造技術(shù)展開了深入研究，大大促進(jìn)了基于固態(tài)APD光子計(jì)數(shù)成像技術(shù)的迅猛發(fā)展【1”。 與此同時(shí)，美國國防部和美國空軍開始長期資助MIT林肯實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行基于APD陣列光子計(jì)數(shù)成像的3維激光成像技術(shù)研究1151。 到xx年，MIT林肯實(shí)驗(yàn)室的研究人員完成了4x4陣列規(guī)模蓋格模式APD的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)驗(yàn)證，并獲取了大量與3D成像的相關(guān)數(shù)據(jù)【211。 小規(guī)模陣列可被視為“單一的空間分辨率像素”，借助掃描鏡可形成32x32和128x128的像素圖像。 該電路系統(tǒng)并非全集成，通過金屬引線并利用外部計(jì)時(shí)電路處理APD陣列探測器的輸出信號，最早的混合測試結(jié)構(gòu)芯片如下圖11所示。 4x4APD Array400pm圖11MIT實(shí)驗(yàn)室最初的混合封裝測試結(jié)構(gòu)在此基礎(chǔ)上，MIT林肯實(shí)驗(yàn)室的研究人員進(jìn)而準(zhǔn)備實(shí)現(xiàn)一種全集成的3232陣列規(guī)模電路系統(tǒng)，如圖12所示。 其中像素級的CMOS計(jì)時(shí)電路采用15bit粗計(jì)數(shù)器和主、次時(shí)鐘狀態(tài)形成的2bit游標(biāo)位細(xì)計(jì)數(shù)器的兩段式電路結(jié)構(gòu)，在500MHz穩(wěn)定時(shí)鐘頻率下可提供05ns的時(shí)間分辨率。 Via connectiotoCMOS圖12MIT實(shí)驗(yàn)室研制的全集成3232探測器陣列林肯實(shí)驗(yàn)室后續(xù)展開了一系列深入的研究工作，其重點(diǎn)包括擴(kuò)大陣列規(guī)模、縮小像素尺寸、提高測距精度和光學(xué)填充因數(shù)；采用最新的封裝技術(shù)和工藝完成電路設(shè)計(jì)11210xx年，文獻(xiàn)12中提到利用一種全新的3D集成技術(shù)，即三層工藝結(jié)構(gòu)一多層S01CMOS集成技術(shù)完成ROIC設(shè)計(jì)。 ROIC電路中采用11bit LFSR計(jì)數(shù)器，工作頻率為1GHz，時(shí)問量化分辨率達(dá)到025ns；電路支持33V和5V兩種電源模式；典型幀頻為20kHz甚至可高達(dá)幾百kHz；與GAPD相關(guān)的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)分別為探測概率60、暗計(jì)數(shù)率1000countss、時(shí)問抖動150ps。 截至目前，MIT林肯實(shí)驗(yàn)室已完成了多款不同規(guī)模的GAPD探測器陣列的研制與開發(fā)，并成功用于實(shí)際的成像實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)之中【131。 綜上，林肯實(shí)驗(yàn)室所研究的激光雷達(dá)系統(tǒng)已經(jīng)過了幾代變遷第一代證明可以使用APD陣列來獲取高分辨率的3維圖像數(shù)據(jù)，即原理驗(yàn)證第二代則進(jìn)一步增大了陣列尺寸，減小了光學(xué)系統(tǒng)和像素內(nèi)集成系統(tǒng)的尺寸，即原型驗(yàn)3萬方數(shù)據(jù)東南大學(xué)工程碩士學(xué)位論文證和關(guān)鍵技術(shù)突破；第三代則為提高系統(tǒng)結(jié)構(gòu)性能做了更多改進(jìn)，使之更符合使用要求與需求。 其他國家的科研工作者在該領(lǐng)域也取得了諸多成果瑞士洛桑工大采用035Inn CMOS工藝實(shí)現(xiàn)了一種128x128規(guī)模的GAPD探測器陣列，配有32個(gè)共享的時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器(Time-toDigital C伽verter，TDC)和高速數(shù)據(jù)IO端口【22-241；美國Princeton Light-wave公司采用0181am CMOS工藝設(shè)計(jì)了一種32x32規(guī)模的GAPD探測器陣列，數(shù)據(jù)輸出采用32行并行輸出，每行數(shù)據(jù)輸出耗時(shí)336I_ts，當(dāng)門控時(shí)間為2lxs時(shí)，一幀時(shí)間僅為536雎s，對應(yīng)的最高幀頻可達(dá)到186kHzt25】126】；意大利米蘭工作室于xx年提出了一種“smart pixel”結(jié)構(gòu)，TDC為帶有延時(shí)線的兩段式結(jié)構(gòu)，采用035pm CMOS工藝實(shí)現(xiàn)，像素內(nèi)的lO bitTDC可以提供312ps的時(shí)間分辨率和320ns的計(jì)時(shí)量程【271。 國外紅外探測技術(shù)研發(fā)時(shí)間長、投入大、基礎(chǔ)積累雄厚，水平高，有著完整的工藝生產(chǎn)線和讀出電路設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)，焦平面系列產(chǎn)品種類多、規(guī)模大、性能優(yōu)越，并且均用于軍事和空間等敏感領(lǐng)域，讀出電路技術(shù)也都屬于保密范疇，技術(shù)壁壘森嚴(yán)皿刪。 我國的紅外焦平面陣列CMOS讀出電路的研制尚處于預(yù)研和起步階段，雖有各級研究機(jī)構(gòu)和大專院校積極攻關(guān)并取得了可喜的成績，但在電路性能及系統(tǒng)應(yīng)用等方面與歐美等發(fā)達(dá)國家相比仍存在著巨大差距，國內(nèi)研究單位涉及G-APD探測器陣列的研制成果在已公開發(fā)表的文獻(xiàn)尚未看到。 國內(nèi)，由于探測器與讀出電路雙重瓶頸的制約，紅外探測技術(shù)在微光成像領(lǐng)域的應(yīng)用研究很薄弱，對于全集成化的成像系統(tǒng)研究幾乎沒有，只有少量綜述性或原理研究性論文。 無論是單個(gè)分立的GAPD器件，還是GAPD陣列探測器，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)均是由分立器件、通用的lC模塊或FPGA搭建構(gòu)成，哈爾濱工業(yè)大學(xué)和南京理工大學(xué)等研究單位對此已做了相關(guān)研究，也獲得了豐富的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)【17】【l91。 對于GAPD探測器與相應(yīng)電路的集成技術(shù)，最好當(dāng)然是采用單片集成工藝，但由于探測器和電子電路是特性不同的兩類器件，簡單地采用單片工藝可能會降低兩者或兩者之一的性能。 因此，對于SiAPD探測器，用于工藝的兼容性適合采用單片集成工藝技術(shù)，而對于InGaAs此類化合物半導(dǎo)體APD探測器，由于工藝的非兼容性，更適合采用混合集成工藝技術(shù)【311，全集成與混合集成兩種紅外探測集成技術(shù)目前都有很好的發(fā)展，并有不同的適用領(lǐng)域。 在激光測距成像讀出電路中，基于GAPD探測器和高速計(jì)數(shù)器的數(shù)字式讀出方式比模擬式具有顯著優(yōu)勢靈敏度高、噪聲影響小、適用范圍廣、應(yīng)用方便，并且系統(tǒng)除去光電傳感器和傳感偏置外均為數(shù)字電路，有利于系統(tǒng)集成和靜態(tài)低功耗要求，本論文選擇基于GAPD探測器陣列的數(shù)字式CMOS讀出電路進(jìn)行研究和設(shè)計(jì)。 由于與InGaAs APD探測器配套，探測器與ROIC電路采用混合集成實(shí)現(xiàn)互連。 13研究內(nèi)容與設(shè)計(jì)指標(biāo)131研究內(nèi)容本論文工作源于東南大學(xué)與中電44所合作完成的一種新型陣列型全集成光電傳感讀出電路的研發(fā)工作，根據(jù)對方提供的APD傳感器性能特點(diǎn)和對讀出電路的性能指標(biāo)要求，制定了相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)方案。 ROIC主體采用基于脈沖飛行時(shí)問測距技術(shù)的電路方案，兼顧主被動兩種控制方式，設(shè)計(jì)了一種集成像素級TDC的幀頻模式ROIC。 本課題研制的單光予檢測數(shù)字型傳感測距讀出電路，采用CMOS制造工藝并最終實(shí)現(xiàn)與InGaAs光電傳感器GAPD的混合集成，實(shí)現(xiàn)完整的信號探測和數(shù)據(jù)傳輸功能。 讀出電路中的APD探測器4萬方數(shù)據(jù)第一章緒論設(shè)置在反偏靜態(tài)電壓較高的蓋革GM模式下，以大幅提高傳感器感應(yīng)的電流增益值，提高探測靈敏度，實(shí)現(xiàn)近似的單光子響應(yīng)的特性。 為提高APD探測器的可靠性和工作壽命，采用門控工作模式，傳感工作的短暫瞬間僅局限于有效的門控窄脈沖周期內(nèi)，門控?zé)o效時(shí)系統(tǒng)進(jìn)入數(shù)據(jù)傳輸以及待機(jī)模式，同時(shí)APD探測器恢復(fù)到低靜態(tài)電流的偏置狀態(tài)下。 采用主動淬火電路(Active QuenchingCircuit，AQC)控制探測器在這兩種模式間的自主快速且可靠地切換，一方面改變所需的偏置電壓，另一方面輸出傳感檢測響應(yīng)信號。 ROIC讀出電路的主體部分采用數(shù)字控制技術(shù)和數(shù)字電路，同時(shí)感應(yīng)的信號也是標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字信號，在芯片內(nèi)部相關(guān)控制信號的協(xié)調(diào)下，有序?qū)⒏袘?yīng)的數(shù)據(jù)讀出并輸入到外部的存儲電路或主機(jī)系統(tǒng)，供后續(xù)電路做進(jìn)一步的數(shù)字信號處理，實(shí)現(xiàn)精確的測距成像功能。 結(jié)合課題組ROIC紅#I-N距讀出電路的設(shè)計(jì)與開發(fā)工作，論文主要研究內(nèi)容包括1)讀出電路工作模式及控制方式的對比、分析與選擇；2)ROIC讀出電路系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計(jì)研究，具體包括像素級TDC的設(shè)計(jì)與分布、數(shù)據(jù)鎖存及傳輸?shù)龋?)ROIC讀出電路的可測性設(shè)計(jì)與分析，包含測試信號產(chǎn)生，測試結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)譯碼處理等。 4)ROIC的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析，通過仿真分析和流片測試，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的數(shù)字式ROIC的功能正確性，分析測試過程中性能指標(biāo)上的誤差原因，給出電路系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)的指導(dǎo)原則和方法。 132設(shè)計(jì)指標(biāo)本課題針對新型GAPD陣列型全集成光電傳感讀出電路進(jìn)行了研究設(shè)計(jì)，最終完成電路版圖和系統(tǒng)電路前仿、模塊電路后仿等工作，并完成相應(yīng)的流片測試工作。 采用CSMC051am CMOS工藝設(shè)計(jì)，具體的設(shè)計(jì)指標(biāo)如表11所示。 表11GAPD陣列型全集成光電傳感讀出電路設(shè)計(jì)指標(biāo)參數(shù)名稱參數(shù)指標(biāo)或內(nèi)容二維陣列規(guī)格像元中心距離傳感器雪崩淬滅恢復(fù)方式門控信號時(shí)間間隔測量方式時(shí)間分辨率測距量程幀頻數(shù)據(jù)輸出方式8x8_1509m門控10ns-109s可調(diào)LFSR延遲線式TDClns12-15bit1kHZ行選通串出上表中，讀出電路的二維陣列規(guī)格和像元中心距離兩個(gè)參數(shù)與InGaAsAPD探測器陣列相配套，讀出電路像素單元與單個(gè)APD探測器一一對應(yīng)。 因此，這兩個(gè)參數(shù)的設(shè)定除去考慮讀出電路自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和制造工藝外，還需考慮可保證有效、可靠、持續(xù)探測的APD探測器陣列大小。 目前，根據(jù)成像系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)時(shí)的實(shí)際APD工作情況和擬流片工藝條件，讀出電路設(shè)計(jì)時(shí)的主要陣列規(guī)格有2 2、3x3和88，像元中心距離在1509m以內(nèi)，與國外主流水平尚存在較大差距。 針對紅外測距成像這一具體應(yīng)用，集成型計(jì)時(shí)電路時(shí)間分辨率的國際先進(jìn)水平為05ns左右。 當(dāng)較長距離測距成像時(shí)，5萬方數(shù)據(jù)東南大學(xué)工程碩士學(xué)位論文時(shí)間測量的線性度和穩(wěn)定性是衡量讀出電路性能的最重要指標(biāo)，這也是本文工作的難點(diǎn)和努力方向。 而其他參數(shù)指標(biāo)相互制約和影響，如采用基于門控的幀頻式讀出電路架構(gòu)可有效降低靜態(tài)功耗，行選通串出的數(shù)據(jù)輸出形式了限制了陣列型讀出電路理論上可達(dá)到的最大幀頻，基于延遲線的兩段式TDC在保證時(shí)間分辨率的同時(shí)可兼顧量程等。 本論文工作力爭在完成讀出電路完整結(jié)構(gòu)功能驗(yàn)證的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)上述指標(biāo)要求，為后續(xù)項(xiàng)目工作的延伸及開展奠定基礎(chǔ)和指明方向。 14組織結(jié)構(gòu)論文由六章組成，具體章節(jié)安排如下第一章緒論。 本章主要闡述激光雷達(dá)測距成像系統(tǒng)讀出電路的研究背景與意義，介紹其國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài)，給出論文工作的主要研究內(nèi)容、設(shè)計(jì)指標(biāo)與論文組織結(jié)構(gòu)。 第二章激光測距成像讀出電路原理研究。 本章主要從激光測距成像讀出電路設(shè)計(jì)的原理入手，分析介紹激光測距成像系統(tǒng)的主要功能、性能參數(shù)、讀出電路的時(shí)序控制方式及讀出電路的系統(tǒng)架構(gòu)類型，突出ROIC系統(tǒng)架構(gòu)及時(shí)序設(shè)計(jì)對于達(dá)到成像系統(tǒng)主要性能參數(shù)指標(biāo)的重要性。 第三章GAPD陣列型全集成光電傳感讀出電路設(shè)計(jì)。 本章重點(diǎn)闡述分析讀出電路的具體設(shè)計(jì)方案和相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)細(xì)節(jié)，主要包括AQC模塊、像素電路模塊、時(shí)序控制模塊和讀出接13模塊等。 首先根據(jù)第二章的原理分析，明確ROIC的系統(tǒng)架構(gòu)和時(shí)序控制方式，重點(diǎn)闡述像素級TDC電路以及ROIC數(shù)據(jù)讀出方式的設(shè)計(jì)。 第四章讀出電路仿真分析與時(shí)序功能驗(yàn)證。 本章主要對讀出電路的子模塊、單像素級電路和陣列級電路進(jìn)行模塊、功能和系統(tǒng)級仿真分析，并對完整的讀出電路完成功能驗(yàn)證，以驗(yàn)證系統(tǒng)功能的正確性和有效性。 第五章讀出電路版圖設(shè)計(jì)與流片測試。 本章主要給出讀出電路的版圖設(shè)計(jì)并進(jìn)行流片測試分析，首先根據(jù)ROIC系統(tǒng)原理圖及版圖，制定測試方案，給出測試原理圖，完成對所設(shè)計(jì)的讀出電路的測試和數(shù)據(jù)，最后根據(jù)測試結(jié)果完成對電路性能指標(biāo)的評估，對實(shí)際存在的各類問題完成誤差故障的定位與分析，給出改進(jìn)設(shè)計(jì)的指導(dǎo)原則。 第六章總結(jié)與展望。 本章主要對論文工作進(jìn)行了全面總結(jié)，在全面工作總結(jié)的基礎(chǔ)上，提煉歸納本文的特色和貢獻(xiàn)，并對論文工作中遇到的問題提出合理的改進(jìn)和優(yōu)化建議。 6萬方數(shù)據(jù)第二章激光測距成像讀出電路原理研究第二章激光測距成像讀出電路原理分析本章首先對激光測距成像讀出電路的應(yīng)用背景進(jìn)行了簡要的介紹，然后從其設(shè)計(jì)原理入手，分別歸納分析了激光測距成像系統(tǒng)的主要性能參數(shù)需求、讀出電路的時(shí)序控制方式及讀出電路的系統(tǒng)架構(gòu)類型，最后提出了論文工作中ROIC系統(tǒng)架構(gòu)及時(shí)序設(shè)計(jì)的考慮。 21紅外讀出電路傳感檢測基礎(chǔ)211G-APD光電探測器長期以來，光電二極管APD以其良好的微弱光探測能力，一直是光電技術(shù)的研究重點(diǎn)，基于其構(gòu)建的單光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)廣泛運(yùn)用于量子通信、三維成像技術(shù)和大氣環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域【32】。 圖21顯示了APD管的工作模式劃分【18】，分別有普通二極管模式(線性，無增益)、雪崩模式(線性，電流增益約為10100)和蓋格模式(非線性，電流增益范圍103105)。 100LOl唾。 1rcrersc bias(叻圖21雪崩光電二極管APD的工作模式圖基于GAPD探測器陣列的數(shù)字式CMOS讀出電路，在門控有效期內(nèi)提供的偏置電壓需將雪崩光電二極管探測器設(shè)置在反偏靜態(tài)電流較高的可探測工作模式下，即蓋革模式下，用以大幅提高探測器電流感應(yīng)的增益值，實(shí)現(xiàn)單光子響應(yīng)的特性【17】。 當(dāng)APD的偏置電壓高于其雪崩臨界電壓時(shí)，光生載流子在耗盡層被電場加速并達(dá)到飽和漂移速度，高速運(yùn)動的載流子與晶格原子碰撞后將使原子最外層的價(jià)電子激發(fā)，進(jìn)而產(chǎn)生電子空穴對。 在電場作用下，新產(chǎn)生的電子空穴對被持續(xù)加速，又與晶格原子碰撞產(chǎn)生新的電子空穴對，這一過程不斷循環(huán)的結(jié)果，可使載流子數(shù)目在勢壘區(qū)內(nèi)按指數(shù)級數(shù)快速增長，產(chǎn)生持續(xù)不斷的雪崩電流，并經(jīng)后續(xù)AQC電路的檢測，可產(chǎn)生驅(qū)動計(jì)數(shù)器開始或停止工作的數(shù)字脈沖信號。 顯然，APD反偏電壓越大，內(nèi)部PN結(jié)反偏電場越強(qiáng)，載流子獲得的能量越大，碰撞產(chǎn)生電子空穴對的概率越高，即APD的電流增益也越高，但反偏電壓過大會帶來過大的靜態(tài)電流，影響電路的功耗和可靠性，因此APD反偏電壓需要精確調(diào)控。 光電二極管APD的主要特性參數(shù)有1)雪崩電壓(Breakdown voltage，VBR)APD的雪崩電壓，即APD剛能發(fā)生自持雪崩增益時(shí)加在APD兩端的電壓。 APD的雪崩電壓值可以通過測量APD的IV特性曲線獲得，如圖21所示。 雪崩電壓與APD的工作溫度正相關(guān)，溫7盤舡h(huán)警V封mo站k萬方數(shù)據(jù)東南大學(xué)工程碩士學(xué)位論文度降低時(shí)，雪崩電壓也隨之降低。 因?yàn)榫Ц竦纳⑸渥饔迷跍囟容^低時(shí)會被減弱，從而增加了載流子的平均自由程，載流子在較低的場強(qiáng)下就可以獲得足夠的能量碰撞出電子空穴對，因而降低了雪崩電壓。 2)電流增益倍增系數(shù)MAPD的電流增益定義為總輸出電流I與起始電流Io之比，其中起始電流Io是光電流Ipo冪fl暗電流Id0之和。 倍增系數(shù)的大d,jfn APD的材料、結(jié)構(gòu)以及p-n結(jié)上的反相偏置電壓有關(guān)。 3)量子效率”量子效率是描述光電器件光電轉(zhuǎn)換能力的一個(gè)物理量，即收集到的載流子數(shù)與入射到光電器件上的光子數(shù)之比。 而對于用于單光子探測的APD來講，量子效率表征了入射光子觸發(fā)自持雪崩的概率。 主要有以下三個(gè)概率共同決定入射光與APD的耦合概率、光子在APD內(nèi)部被吸收并產(chǎn)生光生載流子的概率、光生載流子觸發(fā)雪崩的概率。 4)暗電流與暗計(jì)數(shù)(Dark counts)理想條件下，APD在沒有光入射時(shí)應(yīng)沒有光電流輸出。 但實(shí)際環(huán)境中，由于熱激發(fā)、宇宙射線或放射性物質(zhì)的激勵(lì)等，當(dāng)沒有光入射時(shí)，APD仍有可能產(chǎn)生光電流輸出，這種電流即被稱為暗電流。 對應(yīng)地，在單光子探測中，由于暗電流引發(fā)的計(jì)數(shù)稱為暗計(jì)數(shù)。 引起暗計(jì)數(shù)主要有以下三個(gè)因素?zé)嵩肼曇鸬碾S機(jī)熱噪聲電流、隧道效應(yīng)引起的隧穿電流、APD材料缺陷中心俘獲載流子而再釋放引起的后脈沖效應(yīng)。 后脈沖效應(yīng)是引起暗計(jì)數(shù)的最主要因素之一。 APD雪崩發(fā)生時(shí)，倍增區(qū)材料中的任何缺陷都會成為載流子的捕獲中心，一些載流子被這些低能級缺陷所捕獲。 APD雪崩被抑制后，這些缺陷中心開始釋放載流子。 若此時(shí)APD兩端的電壓仍大于雪崩電壓，這些載流子就會再次觸發(fā)雪崩，產(chǎn)生與前一次雪崩完全一樣的后脈沖，在無光子到達(dá)時(shí)仍會引起一次暗計(jì)數(shù)。 APD的偏置電壓越高，雪崩持續(xù)時(shí)間越長，后脈沖現(xiàn)象越明顯。 APD檢測電路結(jié)構(gòu)如圖22所剝321。 考慮傳感器可靠性、穩(wěn)定性和長期工作的壽命要求，這種高壓反偏的蓋革模式僅能在傳感工作的短暫瞬間有效，進(jìn)入數(shù)據(jù)傳輸及待機(jī)模式時(shí)，傳感器應(yīng)恢復(fù)!ft(ti靜態(tài)電流的偏置狀態(tài)。 為此，AQC電路中存在主動抑制電路【331，實(shí)時(shí)控制APD的工作狀態(tài)，提高GAPD探測器靈敏度高，可有效拓展測距距量程，消除后脈沖現(xiàn)象。 偏置電壓圖2-2APD雪崩電流檢測原理圖8萬方數(shù)據(jù)第二章激光測距成像讀出電路原理研究為確保檢測靈敏度，降低誤差，探測開始時(shí)APD探測器需進(jìn)入雪崩擊穿狀態(tài)等待接收光子，這一狀態(tài)模式的設(shè)定與傳感器的工作機(jī)理有關(guān)f17】。 雪崩光電二極管為具有內(nèi)增益的光伏電池，其電流增益經(jīng)驗(yàn)函數(shù)為【40】M=上一(2-1)lf旦1LR式中礦為雪崩光電二極管的反向偏置電壓，珞R為雪崩光電二極管的雪崩電壓。 從經(jīng)驗(yàn)公式(21)可以看出，當(dāng)?shù)V接近R時(shí)，M迅速增大；當(dāng)相等時(shí)，M趨于無窮大，此時(shí)APD工作于蓋革模式下。 當(dāng)有光子入射時(shí)，光生載流予將觸發(fā)雪崩，并產(chǎn)生自持雪崩電流，該電流經(jīng)檢測后可以產(chǎn)生計(jì)數(shù)脈沖。 一般地，外部提供的反向偏置電壓超出APD雪崩電壓23V(稱為過偏壓)，以保證APD單光子探測的可靠性和靈敏度。 當(dāng)單個(gè)APD探測器擴(kuò)展為陣列型探測器時(shí)，由于每個(gè)APD制造過程中的離散性和外部提供反向偏置電壓的統(tǒng)一性，就造成了面陣型APD探測器的非均勻性問題。 假設(shè)面陣中所有APD探測器的反向偏置電壓相同，則面陣的均勻性主要與各個(gè)獨(dú)立APD的雪崩電壓和檢測電路中襯底等效電阻有關(guān)。 不同的雪崩電壓會影響各個(gè)APD的過偏壓從而影響APD光生電流的大小。 APD接收到光子后，光生電流會在襯底等效電阻上產(chǎn)生電壓從而減小檢測電阻上的上沖電壓，不同襯底等效電阻會導(dǎo)致檢測電路中檢測電阻的上沖電壓不同進(jìn)而引起非均勻性。 212脈沖飛行時(shí)間測距基于GAPD探測器陣列的數(shù)字式CMOS讀出電路中，集成有陣列型計(jì)時(shí)電路，并與Geiger模式APD陣列一一對應(yīng)，進(jìn)而形成完整的測距三維成像探測器。 當(dāng)用激光脈沖對目標(biāo)進(jìn)行照射后，每個(gè)探測器像素中的計(jì)時(shí)電路均對目標(biāo)像素進(jìn)行脈沖飛行時(shí)間的測量，實(shí)現(xiàn)無掃描式測距，其原理結(jié)構(gòu)如圖23所示【341。 激光發(fā)射器發(fā)射激光的同時(shí)，所有像素中的計(jì)時(shí)電路同步開始計(jì)時(shí)工作，而當(dāng)Geiger模式探測器每檢測到一個(gè)或多個(gè)反射回的激光光子時(shí)，即輸出一個(gè)數(shù)字