SPAD Array design based Active Quenching Circuit for dToF LiDAR system in 110-nm CMOS
- 발행기관 서강대학교 일반대학원
- 지도교수 범진욱
- 발행년도 2024
- 학위수여년월 2024. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 전자공학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/sogang/000000076979
- UCI I804:11029-000000076979
- 본문언어 영어
- 저작권 서강대학교 논문은 저작권 보호를 받습니다.
초록
This thesis presents the SPAD Array design using the Active Quenching Circuit. The single photon avalanche diode (SPAD) is a sensitive device that operates at a high reverse bias to detect a single photon and is suitable for use in the dToF LiDAR system. However, SPAD has high sensitivity, but has large breakdown voltage fluctuations and operates at a large voltage, therefore there is a high risk that the device will be easily damaged. To overcome the difficulties, quenching circuits are used. Current mirror is used in place of the commonly used quenching resistor to reduce the influence of breakdown voltage variation by limiting the current of SPAD. SPAD cannot detect a photon for a certain period of time when it detects one photon. This time is called a dead time, and is closely related to the photon counting ability. In order to reduce the dead time while maintaining pixels’ fill factor to the maximum, four types of quenching circuits using the minimum number of MOSFETs are designed and the dead time is compared. A circuit was made to reduce the dead time to 100-150 ns through active quenching and reset operation, and to adjust the dead time according to Bias. A 16×16 SPAD array was designed and corresponds to the receiver (Rx) of the dToF LiDAR system. It was designed with a 110nm CMOS process and uses a circular deep N-well SPAD. The designed SPAD has a breakdown voltage variation from 14.7 V to 16.1 V. In the SPAD array, SPAD, quenching circuit, and 6-bit Ripple Counter are in one pixel. The read-out circuit used a sense amplifier and a 4 to 16 decoder. The information contained in the counter was read sequentially using the rolling shutter method and the output was transmitted to the computer using FPGA to confirm the result. Pixels’ fill-factor is 28.6%, and Dark Count Rates (DCR) has a minimum of 150 cps at 2.5V Access bias.
more초록
본 논문에서는 Active Quenching Circuit을 활용한 SPAD Array 설계 를 제시한다. SPAD(Single Photon Avalanche Diode)는 높은 reverse bias에서 동작하여 단일 광자를 감지할 정도의 민감도를 가진 소자로 dToF LiDAR system에 사용되기 적합하다. 하지만, SPAD는 높은 민감도 를 가지는 대신 Breakdown voltage Variation이 크고 큰 전압에서 동작하 기 때문에 쉽게 소자가 파괴될 위험이 있다. 이를 극복하기 위해 Quenching Circuit을 사용한다. 일반적으로 사용하는 Quenching resistor를 대체하여 Current mirror 를 사용한다. 이를 통해, SPAD의 전류를 제한하여 Breakdown voltage Variation에 의한 영향을 줄일 수 있다. SPAD는 한 개의 Photon을 감지하 면 일정 시간은 Photon을 감지할 수 없다. 이 시간을 Dead time이라고 하 며, Photon counting 능력과 밀접한 관계가 있다. Pixel의 Fill factor를 최 대로 유지하면서 Dead time을 줄이기 위하여 최소 개수의 MOSFET을 사 용한 4가지 Type의 Quenching circuit을 설계하여 dead time을 비교한다. Active Quenching, Reset 동작을 통해 Dead time을 100~150ns로 줄이고, Bias에 따라서 Dead time을 조절하는 회로를 만들었다. 16×16 SPAD Array를 설계하였으며, dToF LiDAR system의 Rx에 해 당한다. 110nm CMOS 공정으로 설계되었으며, 원 모양의 deep N-well SPAD를 사용한다. 설계한 SPAD는 14.7V에서 16.1V까지의 Breakdown voltage variation을 가진다. SPAD Array에는 SPAD, Quenching circuit과 6-bit Ripple Counter가 한 Pixel에 들어가게 된다. Read-out 회로는 Sense Amplifier와 4 to 16 decoder를 사용하였다. Rolling shutter 방식을 사용하여 순차대로 Counter에 담긴 정보를 읽게 되고 FPGA를 사용해 컴 퓨터로 출력을 전송하여 결과를 확인하였다. Pixel의 Fill factor는 28.6%이 고 Dark Count Rates는 2.5V Excess bias에서 최소 150cps를 가진다.
more목차
Chapter 1. Introduction 1
Chapter 2. Single Photon Avalanche Diode 5
2.1 SPAD Structure 5
2.2 SPAD Modeling 9
Chapter 3. Quenching Circuit 12
3.1 Conventional Quenching Circuit 12
3.2 Proposed Quenching Circuit 14
Chapter 4. Read-Out Circuit 21
4.1 Full Chip Floor Plan 21
4.2 Sense Amplifier Operation 23
4.3 Control Signal for Sense Amp Operation 25
4.4 Advanced Counter Architecture for dToF SPAD Array 26
Chapter 5. Measurement Results 30
5.1 Breakdown Voltage 30
5.2 Dead Time of Quenching Circuits 32
5.3 Dark Count Rates 35
5.4 Photon Counting with respect to the intensity of light 38
5.5 DCR image 39
Chapter 6. Conclusions 43
References 45
