【摘 要】
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荧光寿命成像技术通过测量样本的荧光寿命值,进而得到样本及其所处微环境的理化特征,因其具有灵敏度高、可靠性强等优点被广泛应用在了细胞生物学、癌症诊断、药物动力分析等领域。时间数字转换器（TDC）作为荧光寿命成像的核心电路模块,其性能直接关系到荧光寿命成像系统的功能实现和结果优劣,但目前TDC的设计中存在有时间分辨率、动态范围和测量误差相互制约的问题,如何克服它们之间的矛盾,设计一款高性能的TDC对荧
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荧光寿命成像技术通过测量样本的荧光寿命值,进而得到样本及其所处微环境的理化特征,因其具有灵敏度高、可靠性强等优点被广泛应用在了细胞生物学、癌症诊断、药物动力分析等领域。时间数字转换器（TDC）作为荧光寿命成像的核心电路模块,其性能直接关系到荧光寿命成像系统的功能实现和结果优劣,但目前TDC的设计中存在有时间分辨率、动态范围和测量误差相互制约的问题,如何克服它们之间的矛盾,设计一款高性能的TDC对荧光寿命成像具有重要的理论和现实意义。本文基于TSMC 0.18μm CMOS混合信号工艺设计了一款两级结构的TDC芯片,并以此TDC为基础搭建了一款可用于荧光寿命成像的单光子探测系统,本文的主要工作如下:1、对TDC的基本原理和结构进行了分析,提出了一种兼顾时间分辨率和动态范围的两级结构的TDC,其中第二级高精度TDC采用减小单条延时链长度和提高延时单元抗干扰能力的设计思路,实现了较低的测量误差。仿真结果表明,本文设计的TDC可以实现30ps的时间分辨率和241ns的动态范围,其微分非线性和积分非线性分别为±0.41LSB和±0.42LSB,失调误差小于3%;2、以两级TDC为基础,结合单光子雪崩二极管（SPAD）、淬灭电路、存储读出电路等模块搭建了一款用于荧光寿命成像的单光子探测系统。系统整体采用全定制与半定制相结合的设计思路,保证性能的同时降低了设计难度。仿真结果表明,SPAD的击穿电压约为11.3V;淬灭电路的死时间约为40ns;串口的传输速率为19200bps;系统在526MHz控制时钟下对两个荧光信号进行仿真测量,测量误差均小于10ps;3、利用荧光信号的出现概率随时间指数减小这一先验条件,设计了一种基于非均匀延时单元的TDC,并对其实现方式进行了研究和可行性验证。理论计算表明,所设计的非均匀TDC在还原荧光寿命值时具有更小的方差和更高的测量精度。本文设计的单光子探测系统在工作频率、测量精度、测量范围、测量误差和测量死时间等方面具有一定的优势,适用于生物医学的荧光寿命成像。所提出的非均匀延时单元TDC的设计思路对未来研究有一定的参考价值。
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