| 中文摘要 | 第5-7页 |
| ABSTRACT | 第7-8页 |
| 引言 | 第13-17页 |
| 像素传感器 | 第13-15页 |
| 顶层金属像素传感器 | 第15-16页 |
| 研究内容与文章架构 | 第16-17页 |
| 1、像素传感器技术 | 第17-26页 |
| 1.1 像素传感器分类 | 第17-19页 |
| 1.2 像素传感器芯片设计关键指标 | 第19-22页 |
| 1.2.1 等效电荷噪声ENC | 第19-20页 |
| 1.2.2 读出方案 | 第20-22页 |
| 1.2.2.1 Rolling-shutter经典结构 | 第20-22页 |
| 1.2.2.2 优先级数字读出 | 第22页 |
| 1.3 TOPMETAL像素传感器的原理 | 第22-23页 |
| 1.4 TOPMETAL-Ⅰ芯片简介 | 第23-26页 |
| 2、TOPMETAL-Ⅱ-芯片设计 | 第26-72页 |
| 2.1 整体结构 | 第26-27页 |
| 2.2 单个像素设计 | 第27-49页 |
| 2.2.1 电荷收集电极Topmetal及其金属环Guardring | 第28-30页 |
| 2.2.2 模拟前端 | 第30-35页 |
| 2.2.2.1 电荷灵敏放大器CSA | 第31-34页 |
| 2.2.2.2 像素的感光机制 | 第34-35页 |
| 2.2.3 源跟随 | 第35-36页 |
| 2.2.4 比较器 | 第36-37页 |
| 2.2.5 阈值补偿DAC | 第37-40页 |
| 2.2.6 优先级逻辑控制及7-bit物理地址模块 | 第40-43页 |
| 2.2.7 5-bit SRAM模块 | 第43-44页 |
| 2.2.8 单个像素的整体原理图与版图设计 | 第44-47页 |
| 2.2.9 三个特殊像素 | 第47-49页 |
| 2.3 ROLLING-SHUTTER模拟读出通道 | 第49-62页 |
| 2.3.1 Rolling-shutter读出 | 第49页 |
| 2.3.2 阵列扫描Array Scan模块 | 第49-52页 |
| 2.3.3 偏置数模转换器DAC | 第52-54页 |
| 2.3.3.1 “R-2R”型DAC | 第52-53页 |
| 2.3.3.2 版图与后仿真 | 第53-54页 |
| 2.3.4 模拟缓冲Buffer | 第54-56页 |
| 2.3.4.1 原理图与版图 | 第55页 |
| 2.3.4.2 后仿真 | 第55-56页 |
| 2.3.5 模拟读出通道后仿真 | 第56-62页 |
| 2.3.5.1 模拟读出功能仿真 | 第56-57页 |
| 2.3.5.2 行列选择切换对CSA的干扰仿真 | 第57-59页 |
| 2.3.5.3 模拟读出性能指标仿真 | 第59-62页 |
| 2.4 列优先级的数字读出通道 | 第62-69页 |
| 2.4.1 像素击中的产生和优先级逻辑分析 | 第63-64页 |
| 2.4.2 CRU与MUX | 第64-65页 |
| 2.4.3 数字读出工作过程整体时序与仿真 | 第65-69页 |
| 2.4.3.1 整体时序 | 第65-67页 |
| 2.4.3.2 多重击中事件的分析 | 第67页 |
| 2.4.3.3 后仿真 | 第67-69页 |
| 2.5 Topmetal-Ⅱ-顶层原理图与版图设计 | 第69-71页 |
| 2.6 本章小结 | 第71-72页 |
| 3、TOPMETAL-Ⅱ-芯片电学测试 | 第72-94页 |
| 3.1 测试系统 | 第72-77页 |
| 3.2 主要功能模块测试 | 第77-81页 |
| 3.2.1 DAC | 第77-78页 |
| 3.2.2 源跟随 | 第78-79页 |
| 3.2.3 阵列扫描Array Scan | 第79-80页 |
| 3.2.4 SRAM写入 | 第80-81页 |
| 3.3 模拟读出测试 | 第81-86页 |
| 3.3.1 像素阵列模拟读出功能验证 | 第81-83页 |
| 3.3.2 模拟读出通道等效电荷噪声ENC | 第83-86页 |
| 3.4 数字读出测试 | 第86-93页 |
| 3.4.1 像素阵列数字读出功能验证 | 第86-88页 |
| 3.4.2 像素阵列数字读出阈值扫描与噪声 | 第88-93页 |
| 3.4.2.1 配置阈值补偿DAC之前 | 第88-90页 |
| 3.4.2.2 配置阈值补偿DAC之后 | 第90-93页 |
| 3.5 本章小结 | 第93-94页 |
| 4、TOPMETAL-Ⅱ-芯片的应用研究 | 第94-105页 |
| 4.1 基于模拟读出的单个ALPHA TRACK实验 | 第94-99页 |
| 4.1.1 实验装置 | 第94-95页 |
| 4.1.2 像素阵列模拟读出的数字量化过程 | 第95-97页 |
| 4.1.3 单个Alpha Track实验结果 | 第97-99页 |
| 4.2 基于数字读出的LED光照激发下的“T”型成像实验 | 第99-102页 |
| 4.2.1 实验装置 | 第99页 |
| 4.2.2 LED光照激发下的“T”型成像 | 第99-101页 |
| 4.2.3 时间信息分析 | 第101页 |
| 4.2.4 随机连续击中的情况分析 | 第101-102页 |
| 4.3 其它应用简介 | 第102-104页 |
| 4.3.1 液氮环境中的测试与应用 | 第102-103页 |
| 4.3.2 束流监控系统中的应用 | 第103-104页 |
| 4.3.3 碲锌镉探测器中的应用 | 第104页 |
| 4.4 本章小结 | 第104-105页 |
| 5、TOPMETAL-ⅡA芯片设计及初步测试 | 第105-132页 |
| 5.1 整体结构 | 第105-106页 |
| 5.2 像素结构与优化设计 | 第106-115页 |
| 5.2.1 三种不同覆盖的Topme tal与Guardring | 第106-107页 |
| 5.2.2 模拟前端 | 第107-109页 |
| 5.2.2.1 减小反馈电容 | 第108页 |
| 5.2.2.2 复位管尺寸优化 | 第108-109页 |
| 5.2.3 源跟随管子尺寸优化 | 第109-112页 |
| 5.2.4 2-bit DAC | 第112-113页 |
| 5.2.5 像素原理图和版图设计 | 第113-115页 |
| 5.3 模拟读出通道结构与优化设计 | 第115-125页 |
| 5.3.1 16-bit DAC | 第115-120页 |
| 5.3.2 增设偏置电压滤波器 | 第120-123页 |
| 5.3.2.1 偏置电压节点闭环增益仿真 | 第120-122页 |
| 5.3.2.2 截止频率可调的RC低通滤波器设计与后仿真 | 第122-123页 |
| 5.3.3 其它模块 | 第123-124页 |
| 5.3.4 模拟读出后仿真 | 第124-125页 |
| 5.4 顶层设计 | 第125-127页 |
| 5.5 TOPMETAL-ⅡA初步测试 | 第127-128页 |
| 5.6 TOPMETAL-S芯片设计、测试及应用介绍 | 第128-131页 |
| 5.6.1 Topmetal-S芯片简介 | 第128-130页 |
| 5.6.2 Topmetal-S初步测试与应用 | 第130-131页 |
| 5.7 本章小结 | 第131-132页 |
| 6、总结与展望 | 第132-135页 |
| 6.1 内容总结 | 第132-134页 |
| 6.2 展望 | 第134-135页 |
| 参考文献 | 第135-140页 |
| 附录A TOPMETAL-Ⅱ-引脚定义 | 第140-143页 |
| 附录B TOPMETAL-Ⅱ-关键层级的原理图、版图汇总 | 第143-147页 |
| 附录C TOPMETAL-ⅡA引脚定义 | 第147-149页 |
| 附录D TOPMETAL-ⅡA关键层级的原理图、版图汇总 | 第149-151页 |
| 攻读学位期间发表的学术论文 | 第151-152页 |
| 致谢 | 第152页 |
