CN108955906B - 一种应用于单光子探测器的时间-模拟转换电路 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种应用于单光子探测器的时间‑模拟转换电路，包括：淬灭电路、RS触发器F、传输门TG、单刀双掷开关S、采样电容C和源极跟随电路；淬灭复位控制SPAD的淬灭复位以及控制雪崩信号的传输，RS触发器由雪崩信号控制追踪保持电路对与曝光信号同步的三角波采样，从而得到与光子飞行时间线性相关的电压值，且RS触发器起到对采样追踪电路复位的作用。单刀双掷开关在复位与光子飞行时间测量阶段给追踪保持电路提供不同的参考信号。本发明由触发器构成，电路结构简单，控制时序信号较少，占用面积较小，能够达到较高的填充系数，适用与大规模的像素阵列。且具有较高的输出范围，因此具有较小的时间分辨率，适用于较为精密的光子飞行时间的测量。
Description
技术领域
本发明涉及光电技术领域，尤其是一种应用于单光子探测器的时间-模拟转换电路。
背景技术
单光子雪崩二极管(SPAD)具有雪崩增益大、响应速度快、探测效率高、成本低、功耗低等显著优点，能够获得光子信号的时间和空间信息，在生物荧光寿命探测、激光测距、3D成像等方面具有广泛的应用前景。在基于SPAD的荧光寿命成像等应用中，采用时间相关的单光子计数(TCSPC)技术来确定光子的飞行时间，从而确定物体的距离。目前时间-数字转换器(TDC)将探测到的时间转换成数字信号，然后提取出位置信息，恢复出3D图像。TDC的探测时间受时间分辨率影响，如果探测距离长，则测量的飞行时间也长，就需要几何增长式的延迟线来实现，这样就大大增加了TDC电路的芯片面积，造成每个像素单元的填充因子降低，功耗增大。此外，时间-模拟转换器(TAC)也可用于测量光子的飞行时间，它将飞行时间转换为模拟信号输出。相比与TDC电路，TAC电路具有更简单的电路和更小的电路面积。然而，传统TAC电路的测量时间范围更短，通常在几纳秒到数十纳秒，因此所能测量的距离小，且由于模拟输出范围较小，因此时间分辨率低，时间抖动高。如何在保证较大的飞行时间测量范围的前提下，保证像素单元电路有着较小的面积，就是一个亟待解决的技术问题。
发明内容
发明目的：为解决上述技术问题，本发明提出一种应用于单光子探测器的时间-模拟转换电路，本发明给出的基于追踪保持的TAC电路具有较长的测量时间范围，较为良好的时间分辨率，因此距离测量范围较远，且电路结构简单，占用面积较小，制作成本较低，适应用于时间相关单光子计数的荧光寿命的测量。
技术方案：为实现上述技术效果，本发明提供的技术方案为：
一种应用于单光子探测器的时间-模拟转换电路，包括：淬灭电路、RS触发器F、传输门TG、单刀双掷开关S、采样电容C和源极跟随电路；淬灭复位控制SPAD的淬灭复位以及控制雪崩信号的传输，RS触发器由雪崩信号控制追踪保持电路对与曝光信号同步的三角波采样，从而得到与光子飞行时间线性相关的电压值，且RS触发器起到对采样追踪电路复位的作用；
淬灭电路包括单光子雪崩二极管SPAD和MOS管MN1、MN2，SPAD的阴极接设定电位，阳极接MN1的漏极；MN1的源极接地，栅极接外部复位信号Vq；MN2源极接单光子雪崩二极管SPAD的阳极，栅极连接门控信号win，漏极连接RS触发器F的S端；RS触发器F的R端接复位信号RST，Q端接传输门TG的输入端，
端接传输门TG的输出端；
传输门TG的一个控制端连接采样电容C的上极板，另一个控制端连接单刀双掷开关S，采样电容C的下极板接地；单刀双掷开关S在控制信号clk的控制下连接与曝光信号同步的三角波信号Vtri或参考电压Vref；
源极跟随电路包括MOS管MN3、MN4，MN3的栅极连接采样电容C的上极板，漏极接电源，源极与MN4的漏极连接；MN4的源极接地，栅极接电压信号Vsel；MN3源极与MN4漏极的连接点作为所述转换电路的输出端。
进一步的，所述应用于单光子探测器的时间-模拟转换电路具备三个工作阶段：
(1)探测准备阶段：
在像素阵列曝光之前，首先将像素阵列复位，复位信号RST为高电平，单刀双掷开关选通参考电压Vref信号；此时，采样电容C的电压值等于Vref；
然后复位信号RST变为低电平，所述转换电路准备进行计时操作；
在像素阵列曝光之前，门控信号win为低电平，门控MOS管MN2保持关断，然后由激光器发射激光Laser，照射待探测物体；
(2)光子飞行时间探测阶段：
当像素阵列处于曝光阶段时，单刀双掷开关S由信号clk控制连接三角波信号Vtri，当三角波信号Vtri处于上升周期时像素阵列曝光；
当单光子雪崩二极管SPAD检测到由激光Laser照射返回的光子时形成雪崩电流，此时淬灭MOS管MN1闭合，呈高阻态，SPAD退出盖革模式；门控信号win变为高电平，门控二极管MN2开启，雪崩电压经门控二极管MN2形成雪崩脉冲信号In；
当雪崩脉冲信号In的上升沿到来时，RS触发器F的Q段输出变为低电平，传输门TG关闭，追踪保持电路停止追踪，将三角波信号Vtri对应在雪崩脉冲信号到来时的电压值进行采样并保存；
当曝光时间结束后，电路进入下一个读出阶段；
(3)电压读出阶段：当MN4的栅极电压控制电压信号Vsel使负载管MN4处于饱和区时，源极跟随电路正常工作，采样电容C上的电压通过MN3传输到输出端，并通过输出端输出到阵列接口电路上，通过读出采样电容C上的电压即可计算得到SPAD在曝光时光子的飞行时间。
进一步的，所述激光Laser信号、复位信号Vq、门控信号win和三角波信号Vtri的表达分别为：
式中，T表示采样周期。
进一步的，所述积分电容C为金属-绝缘体-金属电容或双层多晶硅电容或MOS电容。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优势：
1、本发明提出的基于追踪保持电路的时间模拟转换器将时间数据以电压幅值的形式测量出来，相对于时间数字转换器，减少了电路的占用面积，提高了像素单元的填充系数，便于像素阵列的大规模集成。
2、本发明提出的基于追踪保持电路的时间模拟转换器利用RS触发器作为追踪保持电路的控制电路，结构简单，控制信号少。制造工艺完全和CMOS工艺兼容，制造成本低，各个计数读出电路之间的性能一致性好，成品率高。
3、本发明提出的基于追踪保持电路的时间模拟转换器读出范围较大，且具有良好的线性度，从而具有良好的时间分辨率。
附图说明
图1为本发明所述应用于单光子探测器的时间-模拟转换电路的拓扑图；
图2为本发明所述应用于单光子探测器的时间-模拟转换电路的控制信号时序图；
图3为本发明所述应用于单光子探测器的时间-模拟转换电路在不同光子飞行时间下的仿真结果图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
图1所示为本发明所述应用于单光子探测器的时间-模拟转换电路的拓扑图，包括：淬灭电路、RS触发器F、传输门TG、单刀双掷开关S、采样电容C和源极跟随电路；传输门G，采样电容C与源极跟随电路构成一个追踪保持电路，实现对外接三角波信号的采样。
淬灭电路包括单光子雪崩二极管SPAD和MOS管MN1、MN2，SPAD的阴极接设定电位，阳极接MN1的漏极；MN1的源极接地，栅极接外部复位信号Vq；MN2源极接单光子雪崩二极管SPAD的阳极，栅极连接门控信号win，漏极连接RS触发器F的S端；RS触发器F的R端接复位信号RST，Q端接传输门TG的输入端，
端接传输门TG的输出端；
传输门TG的一个控制端连接采样电容C的上极板，另一个控制端连接单刀双掷开关S，采样电容C的下极板接地；单刀双掷开关S在控制信号clk的控制下连接与曝光信号同步的三角波信号Vtri或参考电压Vref；
源极跟随电路包括MOS管MN3、MN4，MN3作为源极跟随电路的输入管，MN3栅极连接采样电容C的上极板，漏极接电源，源极与MN4的漏极连接；MN4的源极接地，栅极接电压信号Vsel；MN3源极与MN4漏极的连接点作为所述转换电路的输出端。
上述应用于单光子探测器的时间-模拟转换电路以追踪保持电路为基础，利用传输门TG作为采样开关，利用光子信号作为关断信号，通过采样电压与测量时间的线性关系，将光子的飞行时间测得。
以上所述的时间模拟转换器电路的三角波信号Vtri的起步时间与曝光时间同步，一次曝光与三角波信号Vtri半个周期时间相同，三角波信号Vtri在上升周期为像素阵列的曝光阶段，三角波信号Vtri受追踪保持电路的采样，像素单元电路在探测到光子后则不在追踪三角波信号Vtri，待到读书阶段像素单元采样到的电压信号被依次读出。
本发明所提出的时间-模拟转换器电路的工作过程分为探测准备阶段、光子飞行时间探测阶段和电压读出阶段：
(1)探测准备阶段：在像素阵列曝光之前，首先要将像素阵列复位，复位信号RST为高电平，单刀双掷开关选通参考电压Vref信号。因此采样电容C的电压值等于Vref。然后复位信号RST变为低电平，准备进行计时操作。在像素阵列曝光之前，门控信号win为低电平，门控MOS管MN2保持关断，然后由激光器发射激光Laser，照射待探测物体。
(2)光子飞行时间探测阶段：当像素阵列处于曝光阶段时，单刀双掷开关S由信号clk控制连接一个与曝光信号同步的三角波信号Vtri，且像素阵列只有在三角波信号Vtri处于上升周期时进行曝光。当单光子雪崩二极管SPAD检测到由激光Laser照射返回的光子时形成雪崩电流，此时淬灭MOS管MN1闭合，呈高阻态，SPAD退出盖革模式。此时，门控信号变为高电平，门控二极管MN2开启，雪崩电压经门控二极管MN2形成雪崩脉冲信号In。当输入雪崩脉冲信号In的上升沿到来时，RS触发器F的Q段输出变为低电平，传输门G关闭，追踪保持电路停止追踪，将三角波信号对应在雪崩脉冲信号到来时的电压值进行采样并保存。在计时阶段，采样电容C上的电压随着时间线性增加，当光子信号到来时输出电压锁定保持不变。当曝光时间结束后，电路进入下一个读出阶段。
(3)电压读出阶段：经过数次曝光，像素单元阵列的信号被依次读出。当负载管MN4的栅极电压控制电压信号Vsel使负载管MN4处于饱和区时，源极跟随电路正常工作，采样电容C上的电压通过源极跟随器输入管MN3传输到阵列接口电路上。由于追踪保持电路的采样电压与光子的飞行时间是线性关系，因此可以通过读出采样电容上的电压计算得到SPAD在曝光时光子的飞行时间。
上述方案中各控制信号时序关系如图2所示，其中，所述激光Laser信号、复位信号Vq、门控信号win和三角波信号Vtri的表达分别为：
式中，T表示采样周期。
所述积分电容C为金属-绝缘体-金属电容或双层多晶硅电容或MOS电容。
实验结果：本实施例采用0.18μm标准CMOS工艺对上述所提出的时间-模拟转换读出电路进行了仿真，仿真结果如图3所示。三角波信号可以根据对光子飞行时间范围的测量需求设置为不同周期。考虑到模拟电压信号受到噪声，失配，以及时间抖动的因素等影响，模拟读出电压的最小分辨率通常为3mV。追踪保持电路的采样范围达到1.4V。通过改变三角波信号的周期，能够确定时间-模拟转换读出电路的时间测量范围以及时间分辨率。本发明在时间测量范围为10ns，20ns，30ns的情况下时间分辨率分别为20ps，40ps，60ps。在保证良好线性度的情况下，测量范围越大则时间分辨率越小。当时间测量范围设为10ns时，每隔1ns对该时间-模拟转换电路进行采样，根据采样结果可以看出像素单元的电压输出与时间有着良好的线性关系，非线性小于0.5％，因此该时间-模拟转换读出电路具有非常好的线性度。
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，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种应用于单光子探测器的时间-模拟转换电路，其特征在于，包括：淬灭电路、RS触发器F、传输门TG、单刀双掷开关S、采样电容C和源极跟随电路；
淬灭电路包括单光子雪崩二极管SPAD和MOS管MN1、MN2，单光子雪崩二极管SPAD的阴极接设定电位，阳极接MN1的漏极；MN1的源极接地，栅极接外部复位信号Vq；MN2源极接单光子雪崩二极管SPAD的阳极，栅极连接门控信号win，漏极连接RS触发器F的S端；RS触发器F的R端接复位信号RST，Q端接传输门TG的输入端，
端接传输门TG的输出端；
传输门TG的一个控制端连接采样电容C的上极板，另一个控制端连接单刀双掷开关S，采样电容C的下极板接地；单刀双掷开关S在控制信号clk的控制下连接与曝光信号同步的三角波信号Vtri或参考电压Vref；
源极跟随电路包括MOS管MN3、MN4，MN3的栅极连接采样电容C的上极板，漏极接电源，源极与MN4的漏极连接；MN4的源极接地，栅极接电压信号Vsel；MN3源极与MN4漏极的连接点作为所述转换电路的输出端；
所述转换电路具备三个工作阶段：
(1)探测准备阶段：
在像素阵列曝光之前，首先将像素阵列复位，复位信号RST为高电平，单刀双掷开关选通参考电压Vref信号；此时，采样电容C的电压值等于Vref；
然后复位信号RST变为低电平，所述转换电路准备进行计时操作；
在像素阵列曝光之前，门控信号win为低电平，门控MOS管MN2保持关断，然后由激光器发射激光Laser，照射待探测物体；
(2)光子飞行时间探测阶段：
当像素阵列处于曝光阶段时，单刀双掷开关S由控制信号clk控制连接三角波信号Vtri，当三角波信号Vtri处于上升周期时像素阵列曝光；
当单光子雪崩二极管SPAD检测到由激光Laser照射返回的光子时形成雪崩电流，此时淬灭MOS管MN1闭合，呈高阻态，单光子雪崩二极管SPAD退出盖革模式；门控信号win变为高电平，门控MOS管MN2开启，雪崩电压经门控MOS管MN2形成雪崩脉冲信号In；
当雪崩脉冲信号In的上升沿到来时，RS触发器F的Q段输出变为低电平，传输门TG关闭，追踪保持电路停止追踪，将三角波信号Vtri对应在雪崩脉冲信号到来时的电压值进行采样并保存；
当曝光时间结束后，电路进入下一个读出阶段；
(3)电压读出阶段：当MN4的栅极电压控制电压信号Vsel使负载管MN4处于饱和区时，源极跟随电路正常工作，采样电容C上的电压通过MN3传输到输出端，并通过输出端输出到阵列接口电路上，通过读出采样电容C上的电压即可计算得到单光子雪崩二极管SPAD在曝光时光子的飞行时间。
2.根据权利要求1所述的一种应用于单光子探测器的时间-模拟转换电路，其特征在于，所述激光Laser信号、外部复位信号Vq、门控信号win和三角波信号Vtri的表达分别为：
Laser：
Vq：
Win：
Vtri：
式中，T表示采样周期。
3.根据权利要求2所述的一种应用于单光子探测器的时间-模拟转换电路，其特征在于，所述采样电容C为金属-绝缘体-金属电容或双层多晶硅电容或MOS电容。
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