单光子雪崩二极管(Signle Photon Avalanche Diodes,SPAD)作为一种新兴的光子探测器件,具有时间抖动低、探测灵敏度高、响应速度快、电路集成度高等优点,因此基于SPAD探测器的光子飞行时间(Time-of-Flight,TOF)技术在激光测距和3D成像等领域得到广泛应用。SPAD像素单元电路是成像激光雷达的关键组成部分,实际应用中的像素单元电路仍然存在探测精度与探测距离相互制约、探测成像速度慢、像素面积大以及人眼安全阈值低等众多亟待解决的问题。本文针对论述的问题进行以下深入研究和改进。(1)近红外激光的人眼安全阈值演算与分析。针对应用于军民融合领域人眼安全的问题,采用能量阈值分析法对近红外激光阈值演算,由于发射激光存在不同的工作方式分别计算出特定激光源的单脉冲能量阈值和连续脉冲最大辐照阈值。演算结果表明,激光波长、工作频率、辐照/辐射时间以及激光工作方式均会对人眼安全条件的激光能量阈值有所影响,演算中使用808 nm近红外激光源,重频率为8.8 MHz,最长辐照人眼时间为10 s,则采取单脉冲工作方式的激光能量必须小于0.72 J/m~2,连续脉冲模式下的能量阈值必须低于7.61 m J/m~2,若保持其他条件不变的情况下降低重频率值为8.8KHz,则连续脉冲模式下的能量阈值必须低于42.81m J/m~2。这一演算与浅析的结果为规定应用于人眼安全领域的激光能量阈值提供参考。(2)大动态高精度像素单元电路的设计与改进。针对探测成像速度慢、探测精度和像素面积、探测距离相互制约的三个难题,首先提出一种新型主动门控淬灭电路,将淬灭时间减短到1.6 ns,并采用门控法规避大量环境光噪声,有效地提高探测效率以及解决成像速度慢的问题。其次,时间幅度转换电路(TAC)采用电荷守恒法、电流镜法、高阻开关法等结构。尤其是高阻开关式TAC电路,基于提高电流内阻思路采用增益自举的原理使充电电流稳定,DNL的仿真结果表明其具有优异的线性度,版图面积仅为120μm~2,功耗为12μW,在减小电路面积和功耗的同时提高像元填充因子并保证了积分电压线性度和量化误差,有效地解决了像素面积和测量精度相互制约的问题。最后,提出了一种适用于远距离、大动态范围的TOF测量方法,采用TAC精计数与数字粗计数相结合的思想,利用数字计数器扩大满量程时间而TAC电路保证最小分辨率的方法,解决了探测精度和探测距离相互制约的问题。(3)光子达到时间模型建模和TOF测量联合仿真。基于上述设计的电路组成像素单元,利用Cadence软件结合Verilog-A工具提出了一种对光子到达时间行为级模型,采用TOF测量方法将模型和像元电路多次联合仿真,结合电路特性预测光子到达的时间分辨率,以及探测误差等性能。在模拟10klux环境光条件下将仿真的探测距离设定为7.5 m,通过300多次仿真提取光子到达直方图得到仿真距离为7.44 m,误差在6 cm,时间分辨率为390 ps。仿真结果表明,模型的建立结合电路仿真评估了电路的性能并验证TOF测量方法的可行性,为基于TOF的SPAD像素单元电路应用于激光雷达成像领域提供参考。(4)功能模块电路流片验证与大动态范围像素单元电路的实现。论文将各单元电路进行版图设计并流片验证。其中,主动门控淬灭/复位电路在30 p F负载电容条件下实测淬灭时间为8.0 ns,高阻开关式TAC电压摆幅达到1 V,保持时间为1 ms,量化最小分辨率为3.9 m V,DNL为小于±0.1 LSB,INL为小于±0.15 LSB,测试结果表明电路具有良好的线性度和量化误差,适用于远距离、高精度成像方案。最后,结合实测结果对像素单元电路进行进一步实现,将系统周期设定为8 ns,使得全扫描范围达到2048 ns的同时保证分辨率为32 ps,不仅扩大探测距离并且保证了探测精度,有利于大阵列的集成应用,为远距离高精度三维成像奠定了基础。