论文总字数：27632字

摘 要

本文研究了一种使用雪崩光电子二极管Gm-APD（Geiger Mode-Avalanche Photon diode）的GHz门控单光子探测电路。高频脉冲施加到APD时，产生尖峰脉冲信号，需要滤波电路滤除尖峰噪声信号，本课题的主要任务是完成有源低通滤波器模块的设计，实现尖峰噪声信号的滤除。

在分析了指标要求以及阅读充分文献资料的基础上，针对单光子探测电路中滤除尖峰噪声信号的需求，本文设计了一种Gm-C滤波器。Gm-C低通滤波器采用了一种折叠式共源共栅的OTA，设计了共模反馈回路（CMFB),并通过二次节级联的方式将运算跨导和电容级联成四阶低通滤波器。为了更直观的分析Gm-C滤波器的性能，本文采用了一种有源RC滤波器进行对比分析。有源RC滤波器采用传统五管差分的二级运放结构，添加了密勒补偿电容稳定相位裕度，再与电容级联成二阶有源滤波器。在逼近方式上两者都选择了有线性相位特点的贝塞尔滤波器。

本课题使用TSMC0.18µm CMOS工艺，使用Cadence软件仿真，当直流电压为1.8V，Gm-C四阶贝塞尔低通滤波器截止频率为440MHz，1GHz处的抑制比为92dB，而RC有源低二阶滤波器截止频率只为295MHz，1GHz处的抑制比为52dB，均满足课题的技术指标要求。

关键词：单光子探测电路，低通滤波器，贝塞尔滤波器，运算跨导放大器，有源RC滤波器

Abstract

In this paper, a GHz gated single photon detection circuit using an avalanche photodiode Gm-APD (Geiger Mode-Avalanche Photon diode) is studied. When the high frequency pulse is applied to the APD, a spike signal is generated, and the filter circuit is required to filter out the spike noise signal. The main task of the subject is to complete the design of the active low pass filter module to achieve the filtering of the spike noise signal.

Based on the analysis of the index requirements and the reading of sufficient literature, a Gm-C filter is designed for the single-photon detection circuit to filter out the spike noise signal. The Gm-C low-pass filter uses a sleeve-type cascode OTA, designed a common-mode feedback loop (CMFB), and cascades the operational transconductance and capacitance into four by means of quadratic cascades. Order low pass filter. In order to analyze the performance of Gm-C filter more intuitively, an active RC filter is used for comparative analysis. The active RC filter adopts a traditional five-tube differential two-stage operational amplifier structure, adds a Miller compensation capacitor to stabilize the phase margin, and then cascades the inductor and capacitor into a sixth-order active filter. In the approximation mode, both Bessel filters with linear phase characteristics are selected.

This topic uses TSMC 0.18μm CMOS process, using Cadence software simulation, when the DC voltage is 1.8V, Gm-C fourth-order Bessel low-pass filter cut-off frequency is 440MHz, the rejection ratio at 1GHz is 92dB, and RC active The cutoff frequency of the low double-order filter is only 295MHz, and the rejection ratio at 1GHz is 52dB, which meets the technical requirements of the subject.

Keywords: single photon detection circuit, low pass filter, Bessel filter, operational transconductance amplifier, active RC filter

目录

摘要 1

Abstract 1

第一章 绪论 1

1.1 研究背景与意义 1

1.2 研究现状与发展趋势 2

1.3 研究内容与技术指标 2

1.3.1 研究内容 2

1.3.2 技术指标 3

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 模拟滤波器及其性能指标 6

2.1.2 滤波器的几种逼近方式 7

2.1.3 有源滤波器的分类 11

2.2 设计需求 12

2.3 本章小结 13

第三章 模拟低通滤波器的设计 14

3.1 Gm-C滤波器设计 14

3.1.1 OTA模型与设计基础 14

3.1.2 OTA结构设计 16

3.1.3 二次节级联结构设计 19

3.2 有源RC滤波器设计 21

3.2.1 二级运放的设计 21

3.2.2 二阶有源RC滤波器的设计 23

3.3 Gm-C滤波器与有源滤波器对比 23

3.4 本章小结 24

第四章 仿真验证 25

4.1 Gm-C滤波器仿真结果 25

4.1.1 OTA的仿真分析 25

4.1.2 Gm-C滤波器仿真分析 26

4.2 有源RC滤波器仿真 26

4.2.1 运放频率特性的仿真结果 27

4.2.2 二阶有源滤波器仿真结果 27

4.3 仿真分析 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 31

参考文献 32

致谢 33

绪论

研究背景与意义

单光子是量子信息的载体，单光子检测技术使用新光电子效应测量入射的单光子，促进量子信息产业发展。目前，正弦波门控制和方波自差分是高频单光子检测的两种方式，各有其优缺点，并且基于这两种技术的各种改进方案也出现了，并且门频率最高超过2 GHz。然而，大多数现有解决方案采样分立器件（组件）板级集成方案并验证信号检测和处理方法。然而，芯片级系统中缺乏集成限制了大规模阵列集成方案。因此，为量子通信技术的持续发展，门单光子探测系统集成和芯片设计技术，大幅度高频门信号生成，负载驱动和弱检测信号高速高精度检测等电路结构不断发展。

2011年，我国成功研发出这种正弦波门控单光子探测系统^[1]，如图 1.1所示。APD在击穿电压（Geiger模式）之外运行以发挥其最高灵敏度，即所谓的盖革模式。RF源通过功率分配器分成两个通道，用于在放大和带通滤波后驱动栅极。低通滤波器LPF1在1 GHz时的增益衰减超过40 dB，感应信号嵌入仍未完全消除的噪声中。考虑到比较微弱的感应信号以及差分运算对检测信号带来的损失，需对差分信号进一步做放大及滤波处理，两级射频放大器增益为15.9dB、带宽为6GHz，低通滤波器LPF2截止频率为1.5GHz，2GHz下的衰减比超过40dB。

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