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作为三维成像应用的关键技术之一,红外单光子计时读出电路(Readout Integrated Circuit,ROIC)能够对光子飞行时间进行高精度测量,从而获得多种有用信息。光子计时测距成像技术的潜在应用包括先进的拦截器、目标识别、自动驾驶、障碍物检测和地形测绘等。但随着阵列规模的不断扩大,不仅系统的检测精度、线性度、动态范围等性能提升变得越来越困难,而且还带来明显的功耗、噪声和串扰等问题,严重限制了大阵列ROIC系统的应用。针对激光测距以及3D成像应用背景,本文提出了一种全新的阵列TDC型ROIC电路,实现对目标物体的主动探测三维成像。首先,为了满足设计指标要求,同时兼顾功耗、成本、时序控制等约束条件,本文基于时钟驱动型ROIC架构,设计了一种两段式局部共享型时间数字转换阵列电路(Time-to-Digital converter,TDC),高段为像素独享的11bit周期计数型TDC,实现对时间间隔的粗计数;低段为各像素共享的1bit相位细分辨型TDC,实现对时钟相位的细分辨,从而满足高精度宽量程的应用要求。其次,通过优化电路逻辑,改善电路性能,如将DFF对瞬态相位的动态采样变成TG+DFF的复合结构采样模式,通过降低复合结构的建立保持时间,极大的降低了段间误码的出现概率。最后,版图物理设计在精简面积的前提下侧重抑制寄生效应,提高关键路径的延迟匹配,如选用适合于多电源系统的梳状电源网络布线方式。外部引入的电源线/地线布局在版图两侧,从阵列两端同时为像素供电,抑制了电源电压的跌落,提高了ROIC芯片的稳定性。本文基于TSMC 0.18μm标准CMOS工艺和Cadence EDA工具完成ROIC系统的搭建、版图设计、前后仿真和流片验证。测试结果表明,在1.8/5V电源电压、500MHz高频计数时钟、50MHz低频传输时钟、20kHz帧频以及常温27℃条件下,ROIC系统可获得1ns的时间分辨率、4μs的测试时间量程、-0.15LSB~0.15LSB的微分非线性DNL、-0.3LSB~0.32LSB的积分非线性INL和约490mW的功耗,测试结果与仿真结果吻合,基本满足设计指标的要求。最后利用3D成像接收机进行三维成像实验,获取目标的强度信息和距离信息,实现被测物体的3D成像。