CN102710907B

CN102710907B - 一种工作于线性模式apd阵列的主动成像读出电路

Info

Publication number: CN102710907B
Application number: CN201110285910.5A
Authority: CN
Inventors: 徐申; 何晓莹; 杨淼; 宋文星; 黄秋华; 孙伟锋; 陆生礼; 时龙兴
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2011-09-23
Filing date: 2011-09-23
Publication date: 2014-05-28
Anticipated expiration: 2031-09-23
Also published as: CN102710907A

Abstract

一种工作于线性模式APD阵列的主动成像读出电路，设有探测器、高压保护电路、注入电路、比较器及电压保持电路，探测器输出与高压保护电路的输入连接，高压保护电路的输出与注入电路的输入连接，注入电路的输出与比较器电路的输入连接，比较器电路的输出与电压保持电路的输入连接，电压保持电路的输出连接注入电路及后续处理缓冲器电路，注入电路的输出还连接后续处理缓冲器电路。

Description

一种工作于线性模式APD阵列的主动成像读出电路

技术领域

本发明涉及光电成像技术，尤其是一种工作于线性模式APD阵列的主动成像读出电路。属于微电子及光电子技术领域。

背景技术

近几十年，由于电荷耦合器件(CCD)，CMOS图像传感器及红外成像器件的发展，光电成像技术在包括人们日常生活在内的诸多领域得到了广泛应用。但在要求检测极其微弱光信号的应用中，这些器件显得无能为力或者需要极低温度或低噪声电路才能满足要求。雪崩光电二极管(APD)是一种新型高灵敏光电探测与传感器件。它借助内部强电场作用产生雪崩倍增效应，因此具有很高的内部增益，并且响应速度非常快。由于这些特点，APD探测器已广泛应用于微弱信号检测、光纤通信、光电测距、星球定向和军事测控等领域。

焦平面阵列主要由探测器阵列和读出电路(ROIC)阵列组成，读出电路的作用是将探测器接收到的光信号转换成处理机可以处理的电信号（通常为一个电压信号），相当于传统APD探测器信号处理电路中的接收机。传统APD探测器信号处理电路中的接收机包含的电路模块通常比较多。如中国专利（专利公开号：CN 1384371A）提出的一种高精确度激光测距仪装置，其中包括信号接收电路、峰值保持电路、积分电路、高压电源电路等模块，且电路模块复杂，不利于集成的电路来进行信号处理。因此，设计一种简单实用的信号处理电路是解决信号处理电路与探测器集成形成大规模阵列的方法。

发明内容

本发明提供了一种工作于线性模式APD阵列的主动成像读出电路，可以通过对探测器产生的光电流信号处理产生与探测目标强度（2D）与距离（3D）相关的电压信号，并解决了信号处理电路与APD阵列集成的方式，保证耦合后单元电路出现一些意外情况（比如探测器单元短路或开路）下信号处理电路还能继续工作。

本发明产生强度像的基本原理就是对探测器产生的光电流积分产生电压信号，产生距离像的基本原理是通过测量激光发射时刻与遇到目标物体返回时刻的时间差（激光飞行时间，T.O.F），并通过读出电路产生大小与距离远近对应关系的电压信号得到的。

本发明采取的技术方案如下：一种工作于线性模式APD阵列的主动成像读出电路，其特征在于：设有探测器、高压保护电路、注入电路、比较器及电压保持电路，探测器输出与高压保护电路的输入连接，高压保护电路的输出与注入电路的输入连接，注入电路的输出与比较器电路的输入连接，比较器电路的输出与电压保持电路的输入连接，电压保持电路的输出连接注入电路及后续处理缓冲器电路，注入电路的输出还连接后续处理缓冲器电路，其中：

探测器系雪崩光电二极管APD，将光信号转换成电流信号，高压保护电路设有N型高压NMOS管N1，雪崩光电二极管的正极接第一偏置电压，雪崩光电二极管的负极接NMOS管N1的漏极，NMOS管N1的栅极接第二偏置电压；

注入电路设有5个N型NMOS管N2～N6、3个P型PMOS管P1～P3及1个积分电容，NMOS管N2的栅极和漏极、NMOS管N4的栅极以及NMOS管N3的栅极连接在一起并与短路保护电路的NMOS管N1的源极连接，NMOS管N2的源极、NMOS管N5的源极以及积分电容的一端接地，NMOS管N4的漏极、NMOS管N3的漏极、PMOS管P2的源极以及PMOS管P3的源极与PMOS管P1的漏极连接在一起，为注入电路的输出信号端，PMOS管P1的源极连接复位电压，PMOS管P1的栅极和PMOS管P3的栅极分别连接第一时钟信号，NMOS管N4的源极与NMOS管N6的漏极连接，NMOS管N6的源极、NMOS管N5的漏极与NMOS管N3的源极连接在一起，NMOS管N6的栅极连接第二时钟信号，NMOS管N5的栅极连接积分信号，PMOS管P2的漏极及PMOS管P3的漏极与积分电容的另一端连接在一起；

比较器设有5个N型NMOS管N7～N11及5个P型PMOS管P4～P8；PMOS管P4的源极、PMOS管P5的源极、PMOS管P7的源极以及PMOS管P8的源极相互连接并接VDD，PMOS管P4的栅极、PMOS管P5的栅极和漏极、PMOS管P7的栅极以及NMOS管N8的漏极连接在一起，PMOS管P4的漏极、PMOS管P8的栅极、PMOS管P6的源极相互连接在一起，PMOS管P6的栅极和漏极与NMOS管N7的漏极连接在一起，NMOS管N7的源极、NMOS管N9的漏极与NMOS管N8的源极连接在一起，NMOS管N9的栅极连接第三偏置电压，NMOS管N9的源极、NMOS管N10的源极以及NMOS管N11的源极连接在一起并接地，PMOS管P8的漏极连接NMOS管N11的漏极，NMOS管N7的栅极连接注入电路的输出信号端，NMOS管N8的栅极连接第四偏置电压，PMOS管P7的漏极、NMOS管N10的栅极和漏极以及NMOS管N11的栅极连接在一起；

电压保持电路设有一个PMOS管P9、2个NMOS管N12及N13、2个反相器及1个保持电容，PMOS管P9的源极接VDD，PMOS管P9的栅极与比较器中PMOS管P8的漏极及NMOS管N11的漏极连接在一起，PMOS管P9的漏极、NMOS管N12的漏极、第一反相器的输入端以及第二反相器的输出端连接在一起，第一反相器的输出端以及第二反相器的输入端与NMOS管N13的栅极连接在一起并与注入电路中PMOS管P2的栅极连接，NMOS管N13的源极连接保持电容的一端，保持电容的另一端及NMOS管N12的源极均接地，NMOS管N12的栅极连接第三时钟信号，NMOS管N13的漏极连接一个斜坡电压信号。电压保持电路输出端为N13的源极与后续处理缓冲器电路连接。

本发明的优点及显着效果：

（1）本发明主动成像读出电路可以对目标物体进行2D（强度）、3D（距离）成像，电路结构简单，适合大规模阵列集成。

（2）本发明主动成像读出电路包含高压保护电路，具有在一些意外情况出现（比如探测器单元短路）时，保护后续信号处理电路的特性，实现了APD阵列与读出电路的集成。

（3）本发明主动成像读出电路采用同一电压坡（voltage ramp）为全阵列提供激光飞行时间测量基准，具有很高的均匀性。

（4）本发明主动成像读出电路采用分段测距方式，可以在较大探测距离范围内提高距离分辨。

附图说明

图1为本发明的原理框图；

图2为本发明的一种具体实现电路。

具体实施方式

如图1，单元电路是整个读出电路的核心部分，包括高压保护电路2、注入电路3、比较器电路4、电压保持电路5。探测器1输出与高压保护电路2的输入连接，高压保护电路2的输出与注入电路3的输入连接，注入电路3的输出与比较器电路4的输入连接，比较器电路4的输出与电压保持电路5的输入连接，电压保持电路的输出连接注入电路3及后续处理缓冲器电路，注入电路的输出亦连接后续处理缓冲器电路，

如图2，探测器1采用APD探测器，将微弱光信号转换成电流信号，雪崩光电二极管(APD)是一种新型高灵敏光电探测与传感器件。它借助内部强电场作用产生雪崩倍增效应，因此具有很高的内部增益，并且响应速度非常快。

高压保护电路2设有有高压管N1，当探测器单元短路时，起保护作用。具有保护后续信号处理电路的特性，实现了APD阵列与读出电路的集成，使得在一些意外情况出现（比如探测器单元短路）下读出电路还能继续工作。这是由于APD探测器处于线性模式下的工作的偏置电压与制造工艺和探测器应用背景有关（通常从几伏到几十伏不等），而读出电路通常为5V工艺（高压工艺将大大增加单元电路的面积，不利于实现阵列的大规模化）。如果不加入高压保护电路，那么假如探测器短路，则探测器正端的高电压信号将直接耦合到低压工艺的单元电路上，导致整个电路无法正常工作。

注入电路3设有低压5VNMOS管N2～N6、PMOS管P1～P3、积分电容C1，可以实现2D、3D模式切换，具有积分功能，为探测器提供偏压，对积分电容C1进行复位操作的功能。当激光发射之前，注入电路处于复位状态（不工作）；激光发射时刻，注入电路接收到外接脉冲信号，进入正常工作模式，当探测器检测到光信号的同时产生光信号电流传输到注入电路，注入电路会在输出端迅速产生一个电位下降。当一帧的数据全部读出以后，注入电路再次进入复位状态，等待下一次光电流到来。

比较器电路4设有低压5V NMOS管N7～N11、PMOS管P4～P8，作用是在检测到注入电路输出端电压值有一个变化后迅速产生一个轨到轨电压反转。

电压保持电路5设有低压5V NMOS管N12、N13、PMOS管P9及保持电容C2，作用是实现测量激光发射时刻与遇到目标后返回时刻的时间差。具体方法是：电压保持电路中包含一个从激光发射时刻开始以固定斜率增长的电压坡（voltage ramp）。通过上述已知，当探测器检测到返回光信号后，通过注入电路、比较器在电压保持电路输入端产生一个电压反转，电压保持电路在检测到这个电压反转后就将这一时刻电压坡的电压值保持住。从而得到一个随激光飞行线性变化的电压值，而目标物体距离与激光飞行时间存在线性关系，因此，此电压值反映了目标距离。

本发明电路的全部连接关系如下：APD探测器的正端与外接偏置电压VD，APD探测器的负端与N型MOS高压管N1的漏端连接，N型MOS高压管N1的源极、NMOS管N2栅极和漏极、NMOS管N3栅极、NMOS管N4的栅极相互连接，NMOS管N2的源极、NMOS管N5的源极、NMOS管N9源极、NMOS管N10的源极、NMOS管N11的源极、NMOS管N12的源极、C1的一端、C2的一端相互连接（接地）；NMOS管N4的漏极、NMOS管N3的漏极、PMOS管P1的漏极、PMOS管P2的源极、PMOS管P3的源极、NMOS管N7的栅极连接在一起。PMOS管P1的源极连接外接复位电压VB2；NMOS管N4的源极与NMOS管N6的漏极相互连接；NMOS管N5的漏极、NMOS管N6的源极、NMOS管N3的源极相互连接；电容C1的另一端、PMOS管P2的漏极、PMOS管P3的漏极相互连接；PMOS管P4的源极、PMOS管P5的源极、PMOS管P7的源极、PMOS管P8的源极相互连接；PMOS管P4的栅极、PMOS管P5的栅极和漏极、PMOS管P7的栅极、NMOS管N8的漏极相互连接；PMOS管P4的漏极、PMOS管P8的栅极、PMOS管P6的源极相互连接；PMOS管P6的漏极和栅极、NMOS管N7的漏极相互连接；NMOS管N7的源极、NMOS管N8的源极、NMOS管N9的漏极相互连接；NMOS管N10的漏极和栅极、NMOS管N11的栅极、PMOS管P7的漏极相互连接；NMOS管N11的漏极、PMOS管P8的漏极、PMOS管P9的栅极相互连接；NMOS管N12的漏极、PMOS管P9的漏极、反相器INV1输入端、反相器INV2输出端相互连接；反相器INV2输入端、反相器INV1输出端、NMOS管N13的栅极相互连接；NMOS管N13的源极、C2的另一端互连接；N型MOS管N1的栅极接外接偏置电压VB；N型MOS管N6的栅极接时钟信号G1；N型MOS管N5的栅极接积分信号INT；PMOS管P1的栅极、PMOS管P3的栅极接时钟信号SET；PMOS管P2的栅极和NMOS管N13的栅极接TR信号；NMOS管N8的栅极接外接偏置电压VREF1；NMOS管N9的栅极接外接偏置电压Vb；NMOS管N12的栅极接时钟信号PRE；电压保持电路输出端（N13的源极）OUT_3D与外部缓冲器电路相连接。

图2中的所有控制信号和时钟信号如下：

(a)复位阶段：N5的栅极控制信号INT信号拉低，N5关断，P1、P3的栅极控制信号SET信号低电平，注入电路中复位管P1、P3导通，OUT_2D端电压值与VB2相同，此时比较器输出高电平，P9关断，N12的栅极控制信号PRE输入高电平，N12导通，反相器INV1输出高电平，N13导通，P2关断。

(b)光电流接收阶段：P1、P3的栅极控制信号SET信号拉高，P1、P3关断，N5的栅极控制信号INT信号变为高电平，N5导通，激光器发射激光的同时给读出电路一个触发信号，使N13漏极charge端产生一个按一定斜率变化的电压信号。当探测器接收到光信号，将产生相应大小光电流，并通过N2、N3组成的电流镜使OUT_2D端电压迅速下降，当OUT_2D端的电压值小于比较器另一端的电压VREF1时，电平保持电路输入端OC从高电平降为低电平，P9导通，反相器INV1输出信号TR由高电平跳变为低电平，N13关断将这一时刻保持电容C2上的电压值（3D）锁存，同时P2导通，光电流在积分电容C1上积分，产生2D相关电压值。

(c)积分结束读出阶段：N5的栅极控制信号INT信号变低，将C1电容上2D相关电压信号、C2电容上3D相关电压信号通过后续缓冲器读出。

重复上面a～c的过程，这样完成电路周而复始的工作。

本发明高压保护电路2的工作过程如下：

假设APD探测器阳极VD为15V，N1栅极电压VB设为4.8V，N1源极由积分电路决定（假设为参考电压V_ref），即N1的栅源电压V_GS1是一个固定值：

V_GS1＝VB-V_ref

流过N1的电流为积分电流I，N1工作区由N1的V_GS1、积分电流I以及N1的宽长比共同决定。正常情况下，N1工作在线性区，因此可求出N1的V_DS为：

V_{DS} = (V_{GS 1} - V_{th 1}) - \sqrt{{(V_{GS 1} - V_{th 1})}^{2} - \frac{2 I \cdot L_{1}}{K^{'} \cdot W_{1}}}

式中V_th1为N1阈值电压，W1、L1分别为N1宽和长，K′为工艺因子，由于积分电流I通常为纳安级，因此V_DS约为十几毫伏，此时高压管不影响读出电路正常工作。当探测器短路时，高压管漏极电压与VD相等也为15V，但由于栅极电压VB为4.8V，迫使N1进入亚阈值区，从而防止了产生高电压和大电流对后续电路的影响。

实施例：

本发明以分段测距方式为例的电路工作过程如下（电压保持电路输出OUT_3D到缓冲器1）：

第二时钟G1为低电平时，N6截止，I_N2＝I_N3＝I_N5,光电流在积分电容C1上积分，产生2D相关电压值。测距较大时G1为高电平，N6导通，I_N3＝I_N5＝2I_N2,产生较大光信号电流,光信号电流传输到注入电路，注入电路会在输出端迅速产生一个电位下降。电流的增大保证了电位下降的时间足够短。N6可以选择多个管子组成，随着测距增大，使流过N6电流增大，可以在较大探测距离范围内提高距离分辨。

若以测强度方式，则通过注入电路输出OUT_2D到缓冲器2。

本发明不局限于上述实施方式，不论其实现形式作任何变化，凡是工作于线性模式下APD探测器的焦平面阵列中的读出电路，对目标物体进行2D（强度）、3D（距离）成像，包含高压保护电路，采用同一电压坡（voltage ramp）为全阵列提供激光飞行时间测量基准，采用分段测距方式，均落在本发明保护范围之内。

Claims

1.一种工作于线性模式APD阵列的主动成像读出电路，其特征在于：设有探测器、高压保护电路、注入电路、比较器及电压保持电路，探测器输出与高压保护电路的输入连接，高压保护电路的输出与注入电路的输入连接，注入电路的输出与比较器电路的输入连接，比较器电路的输出与电压保持电路的输入连接，电压保持电路的输出连接注入电路及后续处理缓冲器电路，注入电路的输出还连接后续处理缓冲器电路，其中：

注入电路设有5个N型NMOS管N2～N6、3个P型PMOS管P1～P3及1个积分电容，NMOS管N2的栅极和漏极、NMOS管N4的栅极以及NMOS管N3的栅极连接在一起并与高压保护电路的NMOS管N1的源极连接，NMOS管N2的源极、NMOS管N5的源极以及积分电容的一端接地，NMOS管N4的漏极、NMOS管N3的漏极、PMOS管P2的源极以及PMOS管P3的源极与PMOS管P1的漏极连接在一起，为注入电路的输出信号端OUT_2D，PMOS管P1的源极连接复位电压VB2，PMOS管P1的栅极和PMOS管P3的栅极分别连接第一时钟信号，NMOS管N4的源极与NMOS管N6的漏极连接，NMOS管N6的源极、NMOS管N5的漏极与NMOS管N3的源极连接在一起，NMOS管N6的栅极连接第二时钟信号，NMOS管N5的栅极连接积分信号，PMOS管P2的漏极及PMOS管P3的漏极与积分电容的另一端连接在一起；

比较器设有5个N型NMOS管N7～N11及5个P型PMOS管P4～P8；PMOS管P4的源极、PMOS管P5的源极、PMOS管P7的源极以及PMOS管P8的源极相互连接并接VDD，PMOS管P4的栅极、PMOS管P5的栅极和漏极、PMOS管P7的栅极以及NMOS管N8的漏极连接在一起，PMOS管P4的漏极、PMOS管P8的栅极、PMOS管P6的源极相互连接在一起，PMOS管P6的栅极和漏极与NMOS管N7的漏极连接在一起，NMOS管N7的源极、NMOS管N9的漏极与NMOS管N8的源极连接在一起，NMOS管N9的栅极连接第三偏置电压，NMOS管N9的源极、NMOS管N10的源极以及NMOS管N11的源极连接在一起并接地，PMOS管P8的漏极连接NMOS管N11的漏极，NMOS管N7的栅极连接注入电路的输出信号端，NMOS管N8的栅极连接第四偏置电压VREF1，PMOS管P7的漏极、NMOS管N10的栅极和漏极以及NMOS管N11的栅极连接在一起；

电压保持电路设有一个PMOS管P9、2个NMOS管N12及N13、2个反相器及1个保持电容，PMOS管P9的源极接VDD，PMOS管P9的栅极与比较器中PMOS管P8的漏极及NMOS管N11的漏极连接在一起，PMOS管P9的栅极为电压保持电路的输入端OC，PMOS管P9的漏极、NMOS管N12的漏极、第一反相器INV1的输入端以及第二反相器的输出端连接在一起，第一反相器INV1的输出端以及第二反相器的输入端与 NMOS管N13的栅极连接在一起并与注入电路中PMOS管P2的栅极连接，NMOS管N13的源极连接保持电容的一端，保持电容的另一端及NMOS管N12的源极均接地，NMOS管N12的栅极连接第三时钟信号，NMOS管N13的漏极连接一个斜坡电压信号；电压保持电路输出端为N13的源极与后续处理缓冲器电路连接；

上述电路的工作过程如下：

(a)复位阶段：N5的栅极控制信号INT信号拉低，N5关断，P1、P3的栅极控制信号SET信号低电平，注入电路中复位管P1、P3导通，OUT_2D端电压值与VB2相同，此时比较器输出高电平，P9关断，N12的栅极控制信号PRE输入高电平，N12导通，反相器INV1输出高电平，N13导通，P2关断；

(b)光电流接收阶段：P1、P3的栅极控制信号SET信号拉高，P1、P3关断，N5的栅极控制信号INT信号变为高电平，N5导通，激光器发射激光的同时给读出电路一个触发信号，使N13漏极charge端产生一个按一定斜率变化的电压信号，当探测器接收到光信号，将产生相应大小光电流，并通过N2、N3组成的电流镜使OUT_2D端电压迅速下降，当OUT_2D端的电压值小于比较器另一端的电压VREF1时，电压保持电路输入端OC从高电平降为低电平，P9导通，反相器INV1输出信号TR由高电平跳变为低电平，N13关断将这一时刻保持电容C2上的电压值3D锁存，同时P2导通，光电流在积分电容C1上积分，产生2D相关电压值；

(c)积分结束读出阶段：N5的栅极控制信号INT信号变低，将C1电容上2D相关电压信号、C2电容上3D相关电压信号通过后续缓冲器读出；

重复上面a～c的过程，这样完成电路周而复始的工作。