单光子探测在激光雷达三维成像、激光测距、荧光寿命成像、激光通信等领域具有广泛应用前景。工作在盖革区的雪崩光电二极管,单个光子即可触发二极管雪崩,产生雪崩电流,是一种很好的单光子器件。基于盖革雪崩光电二极管（GM-APD）焦平面的单光子探测系统具有灵敏度高、探测距离远、测距精度高等特点,它通过计量光子飞行时间实现距离探测。集成时间-数字转换电路（Time to Digital,TDC）的读出电路（Readout Circuit,ROIC）配合GM-APD阵列可精准测量光子飞行时间。TDC的计时精度决定整个探测系统的测距精度,因此时间-数字转换电路是读出电路内关键模块。铟镓砷（InGaAs）APD探测器可应用于短波红外波段,具有探测效率高、制冷要求低、响应速度快、对人眼安全等特点。论文在InGaAs GM-APD单光子探测三维成像、三维测距系统的应用背景下,结合光子飞行时间计时精度高、计时量程大、工作帧频高的应用需求,开展应用于长线列/面阵GM-APD焦平面的高精度时间-数字转换电路研究,具体内容如下:（1）针对线列应用,采用两段式方案,设计一款128×4线列型TDC,满足50μm中心距应用。低段位通过Cyclic算法和Nutt插值技术,在一个探测帧内对时间剩余误差进行多次放大并量化,可在100 MHz参考时钟频率下实现超高精度计时,高段位通过线性反馈移位寄存器扩展计时量程。实测结果表明,TDC可实现78.3 ps时间分辨率,10 k Hz工作帧频下的平均功耗为30.7 m W,具有向更大规模扩展的能力。（2）针对面阵应用,采用局部共享型三段式结构,设计一款64×64低误码率面阵型TDC,满足100μm中心距应用。低段位TDC全阵列共享,基于多相位时钟,实现亚纳秒时间分辨率。低段位和中段位通过延迟采样方式大幅降低锁存误码概率,提升TDC的线性度。实测结果表明,TDC可实现0.5 ns时间分辨率,-0.4 LSB<DNL<0.4 LSB,-0.4 LSB<INL<0.6 LSB,实现了低误码率。（3）面阵型TDC多级分相时钟通过DLL/PLL生成,突破参考时钟周期限制,实现高精度计时。全局时钟信号通过H型时钟网络进入各像素单元,提升各像素计时一致性。实测和后仿真结果表明,DLL锁定范围内,相位噪声低于-127d Bc/Hz@频偏1 MHz,RMS抖动低于3 ps,PLL相位噪声低于-117 d Bc/Hz@频偏1 MHz,RMS抖动低于4 ps,时钟树后仿真各节点信号延迟误差小于1%,满足应用需求。