JSSC 2020第11期Power Management0.35µm CMOS

Large-Area Fast-Gated Digital SiPM With Integrated TDC for Portable and Wearable

设计了一种大面积快速门控数字SiPM，集成TDC，适用于便携式和可穿戴设备

8.6mm²感光面积，37%填充因子，300ps上升沿，78ps TDC LSB，128时间bin，>100dB动态范围

数字SiPM时间门控TDC近红外光谱可穿戴设备

▸创新点1：大面积快速门控数字SiPM（电路创新）：采用8.6 mm²大面积光敏区域和37%填充因子，结合低噪声单光子雪崩二极管（SPAD），实现了高灵敏度和快速响应（300 ps上升沿），适用于便携式和可穿戴设备。

▸创新点2：集成TDC和直方图构建电路（系统创新）：内置时间数字转换器（TDC）和直方图构建电路，具有78 ps的最小分辨率（LSB）和128个时间通道，显著提升了时间域近红外光谱（TD-NIRS）测量的精度和效率。

▸创新点3：低功耗差分传感技术（方法创新）：采用新型低功耗差分传感技术，优化了面积占用和功耗，同时保持了高灵敏度和动态范围（>100 dB），适用于资源受限的便携式系统。

▸创新点4：可编程有源区域尺寸（电路创新）：通过可编程有源区域尺寸设计，实现了动态范围的灵活调整，进一步增强了系统在不同应用场景下的适应性和性能表现。

Abstract

We present the design and characterization of a large-area, fast-gated, all-digital single-photon detector with programmable active area, internal gate generator, and time-to- digital converter (TDC) with a built-in histogram builder circuit, suitable for performing high-sensitivity time-domain near- infrared spectroscopy (TD-NIRS) measurements when coupled with pulsed laser sources. We used a novel low-power differential sensing technique that optimizes area occupation. The photode- tector is a