CN107091688B - 一种宽电流输入范围的门控淬灭电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种宽电流输入范围的门控淬灭电路，包括充电管MOS管M2、淬灭管MOS管M1、由MOS管M3、M4、M5、M6、M7及电流源I0和10I0构成的电压比较器和由MOS管M8、M9、M10、M11、M12和M13构成的控制整形电路。本发明为基于双阈值比较器的门控淬灭电路，能够适应大动态范围的触发电流信号；能够增加抗干扰能力和减小相对充电时间。
Description
技术领域
本发明涉及一种淬灭电路，属于电路技术领域。
背景技术
激光雷达是一种可以精确快速地获取地面或大气三维空间信息的主动探测技术，可以用来进行测距测角等，因此其在军事和民用领域到了广泛的应用。
成像激光雷达分为多种工作模式。如采用单元探测器的扫描成像与采用阵列探测器的非扫描成像。采用单元探测器的扫描成像作用距离可以很远，但成像速率会受到一定的限制；采用传统大面阵探测器的非扫描成像激光雷达是基于线性APD(Avalanche PhotoDiode)原理，它能够以很高的速率成像，但是需要大功率激光器照射目标，所以作用距离不会太远。
APD两端的反向偏置电压低于其雪崩击穿电压时，APD的输出电流与入射光强成正比，即APD工作在线性模式；当偏置电压大于雪崩击穿电压时(过反偏状态)，一个光生载流子即能触发极大增益的自持式雪崩电流，即APD工作在盖革模式。这种由单个光生载流子快速触发产生的可探测雪崩电流，使得APD可实现单光子的有效探测。因此，基于大面阵盖革(GM)APD的激光雷达不仅成像速度快，可以时时捕捉动态目标，而且可以作用非常远的距离，实现超远距离成像。工作在盖革模式下的高灵敏度APD称为单光子雪崩二极管(SinglePhoto Avalanche Diode,SPAD)。
大面阵的APD探测器需要配套大面阵激光雷达读出电路，而目前国内激光雷达读出电路还是以分立器件为主，因此规模很小，分辨率及成像速率较低。当面阵APD规模达到64X64像素单元甚至更高时，激光雷达读出电路只能采用单片集成的方法实现。基于标准的CMOS工艺实现大面阵激光雷达读出电路芯片，可以缩小控制系统的体积、减轻重量、降低功耗、提高抗干扰能力、增加可靠性，在实现对目标高帧频率捕获的同时获得高精度的时间分辨率。
当SPAD处于过反偏时,由于光子的触发，SPAD会产生自持续电流。如果不采取任何抑制措施，雪崩过程将会持续下去直至器件永久性损坏。所以通常在雪崩倍增效应发生后需要快速降低SPAD两端的电压来抑制雪崩。
SPAD淬灭电路的作用就是快速检测到雪崩电流并提取出一个标准的数字信号,同时减小SPAD的反偏电压至雪崩电压以下，进而淬灭雪崩电流。淬灭电路的性能直接影响探测系统的整体。
发明内容
受现有SPAD材料性能和国内加工手段的限制，单光子触发近mA级的电流很难实现；同时考虑面阵SPAD的非一致性，有的光子触发电流不足0.1mA，因而传统门控淬灭电路难以或在有限的时间内响应。本发明所要解决的技术问题是提供一种宽电流输入范围的门控淬灭电路。本发明为了解决现有的技术问题，提供一种基于双阈值比较器的门控淬灭电路，以适应大动态范围的触发电流信号。其中，门控方式同传统的电阻被动淬灭、主动和混合淬灭控制方式相比，它可以使SPAD只在短暂的时间内工作于过反偏模式下,因而提高了SPAD的使用寿命和可靠性，且有效降低器件暗计数率。
为解决上述技术问题，本发明提供一种宽电流输入范围的门控淬灭电路，其特征是，包括充电管MOS管M2、淬灭管MOS管M1、由MOS管M3、M4、M5、M6、M7及电流源I0和10I0构成的电压比较器和由MOS管M8、M9、M10、M11、M12和M13构成的控制整形电路；
MOS管M2与MOS管M1的漏极共连至A点及电压比较器中MOS管M3的栅极，经A点通过铟柱与SPAD的阳极连接；MOS管M1的源极接电源VDD；MOS管M2的源极接地；MOS管M2的栅极接或非门的输出端；MOS管M1的栅极接B点，同时连接至控制整形电路中MOS管M11的漏极；
电压比较器中MOS管M3的源极、MOS管M4的源极共连至电流源10I0的输出端，MOS管M3的漏极同时连接至MOS管M5的漏极和MOS管M7的栅极，MOS管M4的漏极连接至MOS管M6的漏极与栅极，MOS管M4的栅极接参考电压Vref；MOS管M5的栅极与MOS管M6的栅极共连，MOS管M5的源极、MOS管M6的源极、MOS管M7的源极均接地；MOS管M7的漏极同时连接电流源I0的输出端与控制整形电路中MOS管M9、M10的栅极；电流源I0和10I0的输入端均连接至电源ADD；
控制整形电路中MOS管M9、M10的漏极共连至B点、MOS管M12、M13的栅极及MOS管M11的漏极；MOS管M11的栅极接反相器输出端；MOS管M10、M11、M13的源极接电源ADD；MOS管M9的源极与MOS管M8的漏极连接，MOS管M8的源极接地，MOS管M8的栅极接反相器输出端；MOS管M12、M13的漏极共连为淬灭电路的输出STOP；MOS管M12的源极接地。
所述反相器输入端接ARM信号，经过反相器输出信号；输出STOP和信号经过或非门控制充电管M2的栅压。
参考电压Vref由电阻R1、R2、R3和MOS管M14、M15、M16、M17产生。
在电源VDD与地之间依次连接电阻R1、R2、R3；电阻R1、R2的共接点同时与MOS管M14的漏极、MOS管M15的源极相连；电阻R2、R3的共接点同时与MOS管M16的漏极、MOS管M17的源极相连；MOS管M15、M16的栅极共连至反相器输入端；MOS管M14、M17的栅极均连接接至反相器输出端；MOS管M14的源极、MOS管M15的漏极、MOS管M16的源极、MOS管M17的漏极共连输出参考电压Vref。
在A点与地之间还连接有电流源0.1I0。
SPAD充电至过反偏期间为高比较阈值模态，在充电结束后的准备探测和淬灭阶段为低比较阈值模态。
SPAD的阳极通过铟柱与淬灭电路中的A点相连接，SPAD的阴极外接反偏电压。
淬灭电路的输出STOP作为计时电路的计时停止标志，计时电路以外部信号START的上升沿做为计时开始的标志。
本发明所达到的有益效果：
本发明为基于双阈值比较器的门控淬灭电路，能够适应大动态范围的触发电流信号；能够增加抗干扰能力和减小相对充电时间。本发明的门控淬灭电路在SPAD充电至过反偏期间为高比较阈值模态，以增加抗干扰能力和减小相对充电时间；在充电结束后的准备探测和淬灭阶段为低比较阈值模态，以降低雪崩电流触发难度。SPAD转换出的电流很微弱也能触发比较器翻转进而降低SPAD的反偏电压将雪崩电流淬灭。
附图说明
图1本发明的淬灭电路；
图2淬灭电路的时序图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
大面阵激光雷达每个像素单元均包括一个读出电路单元和一个对应的SPAD探测器单元。其中，读出电路单元由淬灭电路和计时电路组成。SPAD的阳极通过铟柱Indiumbump与淬灭电路相连接，SPAD的阴极外接反偏电压VB，淬灭电路的输出STOP为计时电路的计时停止标志。
本发明的淬灭电路如图1所示。
淬灭电路组成：
(1)MOS管M2为充电管，MOS管M1为淬灭管。
(2)MOS管M3、M4、M5、M6、M7及电流源I0和10I0构成电压比较器。
(3)MOS管M8、M9、M10、M11、M12和M13构成控制整形电路。
(4)电流源0.1I0为抵消SPAD可能的表面漏电而增加的电流源。
(5)电阻R1、R2、R3和MOS管M14、M15、M16、M17产生参考电压Vref。
(6)ARM信号经过反相器输出信号；STOP和经过或非门控制充电管M2的栅压。
MOS管M2与MOS管M1的漏极共连至A点及电压比较器中MOS管M3的栅极，经A点通过铟柱Indium bump与SPAD的阳极连接；MOS管M1的源极接电源VDD；MOS管M2的源极接地；MOS管M2的栅极接或非门的输出端；MOS管M1的栅极接B点，同时连接至控制整形电路中MOS管M11的漏极。MOS管M3的源极、MOS管M4的源极共连至电流源10I0的输出端，MOS管M3的漏极同时连接至MOS管M5的漏极和MOS管M7的栅极，MOS管M4的漏极连接至MOS管M6的漏极与栅极，MOS管M4的栅极接参考电压Vref。MOS管M5的栅极与MOS管M6的栅极共连，MOS管M5的源极、MOS管M6的源极、MOS管M7的源极均接地。MOS管M7的漏极同时连接电流源I0的输出端与控制整形电路中MOS管M9、M10的栅极。电流源I0和10I0的输入端均连接至电源ADD。控制整形电路中MOS管M9、M10的漏极共连至B点、MOS管M12、M13的栅极及MOS管M11的漏极。MOS管M11的栅极接反相器输出端信号。MOS管M10、M11、M13的源极接电源ADD。MOS管M9的源极与MOS管M8的漏极连接，MOS管M8的源极接地，MOS管M8的栅极接反相器输出端的信号。MOS管M12、M13的漏极共连为淬灭电路的输出STOP。MOS管M12的源极接地。
在电源VDD与地之间依次连接电阻R1、R2、R3，电阻R1、R2的共接点同时与MOS管M14的漏极、MOS管M15的源极相连，电阻R2、R3的共接点同时与MOS管M16的漏极、MOS管M17的源极相连，MOS管M15、M16的栅极共连至反相器输入端的ARM信号，MOS管M14、M17的栅极均连接接至反相器输出端的信号；MOS管M14的源极、MOS管M15的漏极、MOS管M16的源极、MOS管M17的漏极共连输出参考电压Vref。
在A点与地之间还连接有电流源0.1I0。
结合图2，外部信号START的上升沿到来时，计时开始。ARM的上升沿跟随START的上升沿，ARM为高电平持续仅需1个纳秒。
START为高，计时开始，ARM在START为高后，立即升高，持续时间为几个纳秒。ARM为高期间，电路给SPAD充电，使其处于过偏状态。ARM由高至低后，SPAD充电结束，处于准备探测阶段。当光子到来且由SPAD转换为一定的电流信号时，淬灭电路的输出STOP由低变高，直至START为低。
计时电路以START的上升沿做为计时开始的标志，以STOP的上升沿做为计时停止的标志，则START的上升沿和STOP的上升沿之间对应的距离即为目标的距离值。
详细工作过程如下：
(1)当ARM＝1，SPAD充电。
ARM＝1，M2的栅压为高，A点电压被拉至地，SPAD处于过反偏状态，其反偏电压为VB(VB>0)；电压比较器的参考阈值电平为因C点电位为高，B点电位为高，淬灭管M1的栅压为高，因而M1关断。因为此时的阈值电平较高。电路在极短的充电时间内，即使A点未被拉至0电位，电压比较器也不会发生误动作，相当于降低了充电时间。
(2)当ARM＝0，准备探测。
ARM＝0，M2的栅压为低，M2关断；M8导通，M11关断。电压比较器的参考阈值电平降为M1关断。由于A点为高阻态，而处于过反偏的SPAD必定有表面漏电流。增加0.1I0电流源来抵消此漏电，以防止A点电压升高使电压比较器发生误动作，进而提高电路工作的可靠性。
(3)光子触发及淬灭。
当光子到来产生雪崩电流，电流给节点A充电，直到A点电压大于电压比较器发生翻转，C点电压由高变低，B点电压由高变低，淬灭管M1导通，上拉A点至VDD，SPAD的反偏电压降至VB-VDD，适当选择VDD的大小，使VB-VDD小于SPAD的雪崩击穿电压，即SPAD雪崩状态被淬灭；同时，STOP由低变高，标志计时结束。
当计时结束，START＝0，探测完成。直到系统复位进行下次光子探测，则重复上述过程。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种宽电流输入范围的门控淬灭电路，其特征是，包括充电管MOS管M2、淬灭管MOS管M1、由MOS管M3、M4、M5、M6、M7及电流源I0和10I0构成的电压比较器和由MOS管M8、M9、M10、M11、M12和M13构成的控制整形电路；
MOS管M2与MOS管M1的漏极共连至A点及电压比较器中MOS管M3的栅极，经A点通过铟柱与SPAD连接；MOS管M1的源极接电源VDD；MOS管M2的源极接地；MOS管M2的栅极接或非门的输出端；MOS管M1的栅极接B点，同时连接至控制整形电路中MOS管M11的漏极；
电压比较器中MOS管M3的源极、MOS管M4的源极共连至电流源10I0的输出端，MOS管M3的漏极同时连接至MOS管M5的漏极和MOS管M7的栅极，MOS管M4的漏极连接至MOS管M6的漏极与栅极，MOS管M4的栅极接参考电压Vref；MOS管M5的栅极与MOS管M6的栅极共连，MOS管M5的源极、MOS管M6的源极、MOS管M7的源极均接地；MOS管M7的漏极同时连接电流源I0的输出端与控制整形电路中MOS管M9、M10的栅极；电流源I0和10I0的输入端均连接至电源VDD；
控制整形电路中MOS管M9、M10的漏极、MOS管M12、M13的栅极及MOS管M11的漏极共连至B点；MOS管M11的栅极接反相器输出端；MOS管M10、M11、M13的源极接电源VDD；MOS管M9的源极与MOS管M8的漏极连接，MOS管M8的源极接地，MOS管M8的栅极接反相器输出端；MOS管M12、M13的漏极共连为淬灭电路的输出STOP；MOS管M12的源极接地；
SPAD充电至过反偏期间为高比较阈值模态，在充电结束后的准备探测和淬灭阶段为低比较阈值模态；
淬灭电路的输出STOP作为计时电路的计时停止标志，计时电路以外部信号START的上升沿做为计时开始的标志。
2.根据权利要求1所述的一种宽电流输入范围的门控淬灭电路，其特征是，所述反相器输入端接ARM信号，经过反相器输出信号；输出STOP和信号经过或非门控制充电管MOS管M2的栅压。
3.根据权利要求1所述的一种宽电流输入范围的门控淬灭电路，其特征是，参考电压Vref由电阻R1、R2、R3和MOS管M14、M15、M16、M17产生。
4.根据权利要求3所述的一种宽电流输入范围的门控淬灭电路，其特征是，在电源VDD与地之间依次连接电阻R1、R2、R3；电阻R1、R2的共接点同时与MOS管M14的漏极、MOS管M15的源极相连；电阻R2、R3的共接点同时与MOS管M16的漏极、MOS管M17的源极相连；MOS管M15、M16的栅极共连至反相器输入端；MOS管M14、M17的栅极均连接接至反相器输出端；MOS管M14的源极、MOS管M15的漏极、MOS管M16的源极、MOS管M17的漏极共连输出参考电压Vref。
5.根据权利要求1所述的一种宽电流输入范围的门控淬灭电路，其特征是，在A点与地之间还连接有电流源0.1I0。
6.根据权利要求1所述的一种宽电流输入范围的门控淬灭电路，其特征是，SPAD的阳极通过铟柱与淬灭电路中的A点相连接，SPAD的阴极外接反偏电压。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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| CP01 | Change in the name or title of a patent holder |
Address after: 233040 No.10 Caiyuan Road, Bengbu City, Anhui Province Patentee after: Anhui North Microelectronics Research Institute Group Co.,Ltd. Address before: 233040 No.10 Caiyuan Road, Bengbu City, Anhui Province Patentee before: NORTH ELECTRON RESEARCH INSTITUTE ANHUI Co.,Ltd. |
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| CP01 | Change in the name or title of a patent holder | ||
| CI03 | Correction of invention patent |
Correction item: Patentee Correct: NORTH ELECTRON RESEARCH INSTITUTE ANHUI Co.,Ltd. False: Anhui North Microelectronics Research Institute Group Co.,Ltd. Number: 12-01 Volume: 39 |
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| CI03 | Correction of invention patent | ||
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