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作为激光测距以及3D成像应用的核心技术之一,红外单光子计时读出电路(Readout Integrated Circuit,ROIC)配合集成的GM-APD阵列可实现对光子飞行时间(Time-of-Flight,TOF)的高精度测量,从而获得被测目标物体的距离信息。随着激光测距成像应用要求的不断提升,ROIC系统设计应具备更低的功耗、更高的检测精度、更宽的动态以及线性范围。但随着阵列规模的扩展,系统功耗急剧增加,电路性能提升受到极大的限制。在保证系统性能的前提下扩展阵列的规模,难度日益提高。针对激光测距以及3D成像应用需求,本文设计了一种基于PLL-TDC(锁相环驱动的时间数字转换器)的阵列型ROIC电路,通过对目标物体的主动测距实现三维成像功能。首先,为满足高精度、低功耗要求,设计了一种伪三段式局部共享型时间数字转换器(Time-to-Digital converter,TDC),其中高段与中段为像素独享,低段TDC为像素共享。高段为7Bit时钟周期同步计数型TDC,中段TDC为2Bit异步计数器,其降频后的时钟驱动高段TDC,不仅可保持量程还能有效降低高段TDC的计数功耗;低段为像素共享的4Bit相位分辨型TDC,分相信号来源于PLL中VCO的四个分相时钟。其次,对TDC中采样相位信号的电路结构进行改进,压缩其建立保持时间,简化电路结构,使其更适合于阵列运用,并对TSPC结构进行低功耗优化,降低像素TDC的功耗。最后,版图设计时,选取合适的多电源梳状双端供电结构,对关键信号采用延迟匹配设计以及抑制高频信号串扰,以此提高PLL-ROIC芯片的鲁棒性。基于TSMC 0.35μm标准CMOS工艺和Cadence EDA工具,完成了PLL与规模为16×16的ROIC系统设计、前仿真、版图设计、后仿真和流片验证。在3.3V电源电压、10MHz参考时钟、15.625MHz低频传输时钟、20kHz帧频以及常温27℃条件下,测试结果表明,系统可达到0.575ns的时间分辨率以及2μs的测试量程,并且具有-0.56LSB~0.57LSB的微分非线性(DNL)、-0.9LSB~0.57LSB的积分非线性(INL),芯片功耗约为151.7mW。分辨率测试值相比于仿真结果略有增加,其它测试结果满足设计指标的要求。