Area-Efficient Mixed-Signal Time-to-Digital Converter Integration for Time-Resolved Photon Counting

时间数字转换器 微分非线性 积分非线性 最低有效位 光子计数 计算机科学 电子工程 CMOS芯片 计算机硬件 探测器 工程类 电气工程 时钟信号 转换器 电信 电压 操作系统 抖动
作者
Sergio Ruiz Moreno,Victor Moro,Joan Canals,Á. Diéguez
出处
期刊:Sensors [Multidisciplinary Digital Publishing Institute]
卷期号:24 (17): 5763-5763
标识
DOI:10.3390/s24175763
摘要

Digital histogram generation for time-resolved measurements with single-photon avalanche diode (SPAD) sensors requires the storage of many timestamp signals. This work presents a mixed-signal time-to-digital converter (TDC) that uses analog storage to achieve an area-efficient design that can be integrated in large SPAD arrays. Fabricated using a 150 nm CMOS process, the prototype occupies an area of only 18.3 µm × 36.5 µm, a notable size reduction compared to conventional designs. The experimental results demonstrated high performance, with an integral nonlinearity (INL) of 0.35/0.14 least significant bit (LSB) and a differential nonlinearity (DNL) of 0.14/−0.12 LSB. In addition, the proposed TDC can support the construction of histograms comprising up to 512 bins, making it an effective solution to accommodate a wide range of resolution requirements. Validated in a point-of-care (PoC) device for fluorescence lifetime measurements, it distinguished between lifetimes of approximately 4.1 ns, 3.6 ns and 80 ns with the Alexa Fluor (AF) 546 and 568 dyes and Quantum Dot (QD) 705, respectively. The analog storage design and area-efficient architecture offer a novel approach to integrating TDCs in SPAD-based systems, with potential applications in medical diagnostics and beyond.
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