随着人工智能、自动驾驶和人类行为识别等概念相继提出,固态激光雷达（Light Detection And Ranging,Li DAR）技术不再局限于导弹制导和地质勘探等军用和民用领域,并逐步进入商业消费品视野,这使得相关应用与需求更加广泛。基于雪崩光电二极管阵列（Avalanche Photon Diode,APD）的面阵激光雷达三维成像系统可以实现对单光子的接收与识别,表现出高的灵敏度与准确度。然而,随着阵列规模的增加,对用于检测雪崩电流、量化时标的读出电路（Readout Integrated Circuit,ROIC）提出了更高的要求,小型化、低功耗和单像素多回波检测成为研究热点。本文聚焦APD阵列规模日渐增大,及单像素多回波检测的需求设计了一款低功耗多回波检测的盖革模式APD（Geiger-mode Avalanche Photon Diode,GM-APD）阵列读出电路。基于低功耗考虑,除少部分模拟电路使用5V CMOS器件外,其余皆使用1.8V CMOS器件。此外,在锁相环上使用全局门控技术（Global Clock Gating,GCG）,锁相环仅工作在相应时间窗口中,且避免像素内部的start同步电路,精简电路设计,降低功耗;设计数据读出接口电路（Data readout interface,DRI）,将量化数据储存读出,并采用移位时钟门控技术（Shift Clock Gating,SCG）,避免移位寄存器冗余的读出动作,节省功耗。为实现多回波检测,本文设计时钟门控的主动淬灭电路（Active Quenching Circuit,AQC）,将实现单光子捕捉的时序分为三个状态:复位、等待、淬灭,通过相应时序自行实现三个状态的循环,以此完成多回波的检测。同时,本文设计了相应的时间数字转换器（Time-Digital Converter,TDC）,依次连续量化多回波检测生成的多个时标。该TDC使用粗细调结合的架构,其中使用格雷码计数器作为粗调,8相时钟作为细调。为了解决TDC采样时产生的亚稳态问题,计数器和8相时钟编码都使用格雷码,同时使用设计的动态D触发器代替常用的D触发器。本文对阵列非均匀性问题进行了初步的处理,保证阵列的电流增益基本一致。最后,在像素布局上,尽量共用时钟、电源、偏置等信号,像素背靠背设计,降低面积占用。基于0.18μm CMOS工艺,本文完成了128×32 GM-APD阵列读出电路的设计,并对单像素多回波检测进行了仿真验证。同时,本文设计的TDC量程为1μs,分辨率达到500ps。最后,基于有无GCG和SCG进行了功耗对比,在采用GCG与SCG下,128×32像素读出电路功耗从1368.7m W减少到464.6m W。