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摘 要

本课题基于盖革模式雪崩光电子二极管GM-APD（Geiger Mode-Avalanche Photon diode），研究了一种应用于量子通信的GHz门控单光子探测电路。由于目前的探测系统多使用分立器件搭建完成，其缺点是面积较大，不利于大规模阵列集成方案，因此本课题采用全集成方案实现单光子探测系统。因为APD具有容性特性，高频门控时钟信号在经过APD产生雪崩信号的同时，也产生了尖峰脉冲信号，这种尖峰脉冲信号会将微弱的雪崩信号湮没，为了解决这一问题，本文研究了用来滤除尖峰脉冲的有源连续时间滤波器。

在充分分析了滤波器设计的基本原理以及设计指标之后，本文选用Gm-C有源滤波器结构，搭建了两种四阶切比雪夫低通滤波器。本文采用运算跨导放大器作为基本的跨导单元，并使用运算跨导放大器和电容级联获得等效电感和等效电容的方式，搭建了由运算跨导和电容组成的双二阶低通滤波器，然后级联成四阶低通滤波器。共提出了两种运算跨导方案：基于反相器的推挽式运算跨导（即Nauta跨导单元）和一种静态全差分的新型运算跨导。针对全差分运算跨导放大器，设计了一种三路电流源偏置电路，该偏置电路能够使环路更加稳定，并在64nS内完成启动并正常工作。

本电路使用TSMC0.35CMOS工艺，使用Cadence软件仿真得出，当直流电压为3.3V，推挽式跨导四阶低通滤波器截止频率为719.5MHz，1GHz处的抑制比为6.5dB，而静态全差分结构四阶滤波器截止频率只为282MHz，1GHz处的抑制比为89dB。

关键词：有源低通滤波器，运算跨导放大器，切比雪夫滤波器

Abstract

Based on the Geiger Mode-Avalanche Photon diode(GM-APD), a GHz gate single photon detection circuit for quantum communication is studied. Because the current detection system is integrated by discrete devices. However, such devices are large in area and thus not suitable for large-scale array integration schemes. Therefore, this project adopts a fully-integrated scheme to implement a single photon detection system. Because of the capacitive nature of APDs, high-frequency gate clock signals generate avalanche signals and spike signals through APDs at the same time. This spike signal will annihilate weak avalanche signals. In order to solve this problem, an active continuous-time filter that filters out spikes is designed in this paper.

After fully analyzing the basic principle and design index of filter design, Gm-C active filter structure is selected and two kinds of fourth-order Chebyshev low-pass filters are constructed in this research. In this paper, a transconductance amplifier is used as the basic transconductance unit, and the second-order low-pass filter composed of operational transconductance and capacitance is constructed by using the transconductance amplifier and capacitor cascade to obtain equivalent inductance and equivalent capacitance. Two second-order low-pass filter can be cascaded into a fourth-order low-pass filter. Two operational transconductance schemes have been proposed--a push-pull operation transconductor based on an inverter (namely, Nauta transconductance unit) and a static fully differential type novel operation transconductance.

This circuit uses TSMC0.35CMOS technology and Cadence software is used to conduct the simulation. When the DC voltage is 3.3V, the push-pull transconductance fourth-order low-pass filter cutoff frequency is 719.5MHz, the suppression ratio at 1GHz is 6.5dB, and the static full differential The cut-off frequency of the structural fourth-order filter is only 282 MHz, and the rejection ratio at 1 GHz is 89dB.

KEY WORDS: Active low-pass filter, Operational transconductance amplifier, Chebyshev filter

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 研究背景与意义 1

1.2 国内外研究现状与发展趋势 1

1.3 研究内容和技术指标 3

1.3.1 研究内容 3

1.3.2 技术指标 4

1.4 论文组织结构 4

第二章 滤波器基本原理与设计要求 6

2.1 滤波器基本原理 6

2.1.1 滤波器分类和基本性能指标 6

2.1.2 滤波器传输函数和特性 7

2.1.3 有源模拟滤波器简介 11

2.2 设计需求 12

2.3 本章小结 12

第三章 模拟低通滤波器的设计 14

3.1 运算跨导放大器设计基础 14

3.2 Nauta OTA设计 15

3.2.1 OTA主体设计 15

3.2.2 直流耦合电路设计 17

3.3 静态全差分OTA设计 18

3.3.1 OTA主体设计 18

3.3.2 偏置电路设计 19

3.4 Nauta OTA和全差分OTA对比 20

3.5 高阶滤波器设计 20

3.6 本章小结 22

第四章 仿真验证 23

4.1 Nauta跨导单元四阶低通滤波器仿真结果 23

4.2 静态全差分跨导单元四阶低通滤波器仿真结果 26

4.2.1 偏置电路瞬态仿真 26

4.2.2 滤波器仿真结果 27

4.3 结果分析 28

4.4 本章小结 29

第五章 总结与展望 30

5.1 工作总结 30

5.2 未来展望 30

致谢 31

参考文献 32

绪论

研究背景与意义

1993年，Asher Peres和William Wootters等科学家提出了量子通信理论，虽然任意未知的量子态不能被精确测量或者完美复制，但是量子隐态传输可以将一个粒子的量子状态转移到另一个粒子上，同时消除原来粒子的状态，这一过程不需要移动物体的物理位置。量子信息传送速度甚至比光速更快，而且其传递状态无法复制，量子通信的这一特点使得量子密码技术成为可能，在一定条件下，甚至可以实现绝对安全的通信。单光子具有良好的量子特性，被广泛应用于量子纠缠系统和量子密码学领域^[1]。单光子源在量子通信领域的应用使得单光子探测仪应运而生。

从信号处理的角度看，用于量子通信的门控主动采样式单光探测系统主要包含三部分，一是门控信号的产生与驱动，二是门控信号的耦合，三是感应信号的转换与分辨检测，其中核心技术是抑制各类噪声以及提高信噪比，将微弱的光触发信号从众多的噪声中提取出来。目前，正弦波门控与方波门控自差分是用于高频单光子探测的两种基本技术，各有优点和不足，基于两种技术的各种改进方案也不断涌现，门控频率最高已超过 2GHz。然而，现有的各种方案大多采样了分立器件（部件）板级集成方案，验证了信号探测及处理方法的有效性。但由于缺乏在芯片级系统集成方案，限制了大阵列集成方案。因此，发展门控单光子探测的系统集成和芯片设计技术，将大摆幅高频门控信号产生、负载驱动和微弱感应信号高速高精度检测等电路结构集成为一体，对扎实推进量子通信技术的进步有重要意义。

国内外研究现状与发展趋势

单光子门控探测技术的发展：

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