CN109031925A - 一种应用于单光子探测器的紧凑型时间-模拟转换电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于单光子探测器的紧凑型时间‑模拟转换电路，包括1个RS触发器、1个计时电容C和8个MOS管；其中MP0与MP1组成差分结构作为输入级，MN1与MP1组成互补型CMOS开关，MP0、MN1、MP1三个MOS管共同组成控制逻辑控制计时电容C的放电；MP2和MP3作为两个PMOS开关，控制计时电容C的复位操作；MN2和MN3组成源级跟随器，将计时电容C上的电压大小读出。本发明采用电容面积小，管子数量少，结构简单，达到了大幅度减小电路版图的面积的效果，提高了电路密度和集成度，有效地提高了像元的填充因子，同时还降低电路的整体功耗和制造成本低，各个电路之间的性能一致性好，成品率高。

Description

一种应用于单光子探测器的紧凑型时间-模拟转换电路

技术领域

本发明涉及一种基于模拟定时技术测量光子飞行时间的紧凑型时间-模拟转换电路，属于单光子探测技术领域。

背景技术

单光子雪崩光电二极管(Single-Photon Avalanche Diode，SPAD)由于具有雪崩增益大、响应速度快、探测灵敏度高、成本低、功耗低等显著优势，能够获得光子信号的时间和空间信息，已在激光测距和3D成像等方面显示出广泛的应用前景。

基于SPAD探测器成像技术所采用的飞行时间测量法，主要采取时间-数字转换方法(Time to Digital Convert，TDC)，虽然TDC电路具有较高的时间分辨率，较强的抑制噪声能力及抗干扰性，但是由于它结构复杂，管子数量庞大，功耗增大，且占用的面积过大，降低了有效探测面积，严重影响了像素单元的填充因子，电路密度和集成度。在工艺尺寸不断减小的大背景下，有效地减小像素单元的面积，提高填充因子就成为了亟待解决的问题。

而时间-模拟转换(Time to Analog Convert，TAC)的方法采用的管子数量远小于TDC电路，有利于提高填充因子，因此有必要对TAC电路进行进一步研究。然而基于运算放大器的电容积分型TAC电路仍然存在一些问题：首先，电容的大小和计时范围与版图面积之间存在矛盾；其次，传统的TAC电路采用运算放大电路造成电路版图面积增大，填充因子降低，因此对基于运算放大器的积分型TAC电路进行简化是极为必要的。

发明内容

发明目的：针对传统电容积分型TAC电路版图面积大、像素单元填充因子低等问题，本发明提出一种应用于单光子探测器的高填充因子和高电路密度的紧凑型时间-模拟转换电路。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种应用于单光子探测器的紧凑型时间-模拟转换电路，包括1个RS触发器、1个计时电容C和8个MOS管，即4个NMOS管MN0、MN1、MN2、MN3和4个PMOS管MP0、MP1、MP2、MP3；

其中，雪崩脉冲输入信号in连接RS触发器的置1端口Set，输入停止信号Stop连接RS触发器的置0端口Reset，RS触发器原和反输出端口Q和QN分别接PMOS管MP0和MP1的栅极输入端Ctrl和Ctrln；

所述PMOS管MP0与MP1组成差分结构作为输入级，MN1与MP1组成互补型CMOS开关，MP0、MN1、MP1三个MOS管共同组成控制逻辑控制计时电容C的放电；NMOS管MN0工作在饱和区，为MP0和MP1组成的差分管提供稳定的尾电流；MP2和MP3作为两个PMOS开关，控制计时电容C的复位操作；MN2和MN3组成源级跟随器，将计时电容C上的电压大小读出。

进一步的，所述PMOS管MP0的源极接电源Vdd，它的漏极与MP1的漏极相连，并与NMOS管MN0的漏极连接；MN0的栅极外接偏置电压Vb，其源极接地gnd，且MP1的源极与计时电容C的负极板相连；NMOS管MN1的漏极与计时电容C的负极板相连，其栅极与MP0的栅极连接在一起，其源极与MN0的漏极连接；

所述PMOS管MP2和MP3的源极一起接到电源Vdd，它们的栅极同时接复位信号Rstn，它们的漏极分别接到计时电容C的正、负极板；所述NMOS管MN2的漏极接电源Vdd，其栅极与计时电容C的正极板相接，MN2的源极与MN3的漏极相连并连接输出端Vout，而MN3的栅极接输入读取信号Read，其源极接外部总线。

进一步的，整个电路的工作流程包括四个阶段，即复位阶段、等待阶段、放电计时阶段和读出阶段：

(1)复位阶段：在发射激光之前，将复位信号Rstn置为低电平，PMOS管MP2和MP3导通，电源Vdd通过MP2和MP3对计时电容C充电，将其两端的电压复位为高电位，随后复位信号Rstn被置为高电平；

(2)等待阶段：当雪崩脉冲输入信号in未到来时，RS触发器输出的控制逻辑信号Ctrl为低电平，使PMOS管MP0导通，且RS触发器的反向控制信号Ctrln信号为高电平，使MOS管MP1和MN1截止，计时电容C两端电位被保持住，以等待光子雪崩脉冲输入信号in到来(此时整体电路的工作电流经MP0和MN0形成回路流向地gnd)；

(3)放电计时阶段：当雪崩脉冲输入信号in高电平到来时，RS触发器输出的控制逻辑信号Ctrl为高电平，它的反向信号Ctrln为低电位，此时，控制信号Ctrl将MP0被关断，它的反向信号Ctrln将MP1和MN1组成的互补型CMOS开关开启，与开关相连的计时电容C的负极板开始向地gnd放电(此时整体电路的工作电流经互补型CMOS开关及MN0流向地gnd)；

(4)读出阶段：当输入停止信号Stop高电平到来时，RS触发器输出的控制信号Ctrl为低电位，使PMOS管MP0导通，且RS触发器的反向控制信号Ctrln为高电位，它将MP1和MN1组成的互补型CMOS开关关断，计时电容C停止放电，进入读出阶段，即：当NMOS管MN3的栅极输入读取信号Read为高电平，使MN3导通时，源极跟随电路正常工作，计时电容C上的电压通过源极跟随器传输到输出端口Vout。

由于计时电容C两端的电压大小与光子的飞行时间是线性关系，若光子到达时间早，计时电容C放电时间长，它两端的电压变化大；光子到达的时间晚，计时电容C的放电时间短，它两端的电压变化小，因此可以根据第(3)步骤记录的光子的到达时间所对应的电压大小以及第(4)步骤的结束时间所对应的电压大小计算出光子飞行时间，从而实现了时间-模拟的转换。

有益效果：本发明提供的一种应用于单光子探测器的紧凑型时间-模拟转换电路，相对于现有技术，具有以下优点：

1、本发明提出的时间-模拟转换电路将时间参数以输出电压大小的形式表示光子飞行时间，相对于时间-数字转换TDC电路大幅度地减小了电路版图面积，增大了有效的探测区域，提高电路的填充因子；

2、本发明提出的时间-模拟转换电路采用较小的电容和单位增益的共源级跟随器，相较于传统的TAC电路极大程度上地减小了电容面积和管子的数量，有效地减小了整体电路的版图面积，提高了电路密度和集成度；

3、本发明提出的时间-模拟转换电路采用的电容面积小，管子数量少，结构简单，相比于TDC电路有效地降低了整体的功耗；

4、本发明提出的时间-模拟转换电路利用RS触发器作为控制电路，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，各个电路之间的性能一致性好，成品率高。

附图说明

图1为本发明提出的时间-模拟转换电路结构图；

图2为本发明提出的时间-模拟转换电路的工作时序图；

图3为本发明实施例的仿真结果图；

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作更进一步的说明。

如图1所示为一种应用于单光子探测器的紧凑型时间-模拟转换电路，包括1个RS触发器、1个计时电容C和8个MOS管，即4个NMOS管MN0、MN1、MN2、MN3和4个PMOS管MP0、MP1、MP2、MP3；

其中，雪崩脉冲输入信号in连接RS触发器的置1端口Set，输入停止信号Stop连接RS触发器的置0端口Reset，RS触发器原和反输出端口Q和QN分别接PMOS管MP0和MP1的栅极输入端Ctrl和Ctrln；

所述PMOS管MP0与MP1组成差分结构作为输入级，MN1与MP1组成互补型CMOS开关，MP0、MN1、MP1三个MOS管共同组成控制逻辑控制计时电容C的放电；NMOS管MN0工作在饱和区，为MP0和MP1组成的差分管提供稳定的尾电流；MP2和MP3作为两个PMOS开关，控制计时电容C的复位操作；MN2和MN3组成源级跟随器，将计时电容C上的电压大小读出。

具体的，所述PMOS管MP0的源极接电源Vdd，它的漏极与MP1的漏极相连，并与NMOS管MN0的漏极连接；MN0的栅极外接偏置电压Vb，其源极接地gnd，且MP1的源极与计时电容C的负极板相连；NMOS管MN1的漏极与计时电容C的负极板相连，其栅极与MP0的栅极连接在一起，其源极与MN0的漏极连接；

所述PMOS管MP2和MP3的源极一起接到电源Vdd，它们的栅极同时接复位信号Rstn，它们的漏极分别接到计时电容C的正、负极板；所述NMOS管MN2的漏极接电源Vdd，其栅极与计时电容C的正极板相接，MN2的源极与MN3的漏极相连并连接输出端Vout，而MN3的栅极接输入读取信号Read，其源极接外部总线。

如图2所示，整个电路的工作流程包括四个阶段，即复位阶段、等待阶段、放电计时阶段和读出阶段：

(1)复位阶段：在发射激光之前，将复位信号Rstn置为低电平，PMOS管MP2和MP3导通，电源Vdd通过MP2和MP3对计时电容C充电，将其两端的电压复位为高电位，随后复位信号Rstn被置为高电平；

(2)等待阶段：当雪崩脉冲输入信号in未到来时，RS触发器输出的控制逻辑信号Ctrl为低电平，使PMOS管MP0导通，且RS触发器的反向控制信号Ctrln信号为高电平，使MOS管MP1和MN1截止，计时电容C两端电位被保持住，以等待光子雪崩脉冲输入信号in到来(此时整体电路的工作电流经MP0和MN0形成回路流向地gnd)；

(3)放电计时阶段：当雪崩脉冲输入信号in高电平到来时，RS触发器输出的控制逻辑信号Ctrl为高电平，它的反向信号Ctrln为低电位，此时，控制信号Ctrl将MP0被关断，它的反向信号Ctrln将MP1和MN1组成的互补型CMOS开关开启，与开关相连的计时电容C的负极板开始向地gnd放电(此时整体电路的工作电流经互补型CMOS开关及MN0流向地gnd)；

(4)读出阶段：当输入停止信号Stop高电平到来时，RS触发器输出的控制信号Ctrl为低电位，使PMOS管MP0导通，且RS触发器的反向控制信号Ctrln为高电位，它将MP1和MN1组成的互补型CMOS开关关断，计时电容C停止放电，进入读出阶段，即：当NMOS管MN3的栅极输入读取信号Read为高电平，使MN3导通时，源极跟随电路正常工作，计时电容C上的电压通过源极跟随器传输到输出端口Vout。

由于计时电容C两端的电压大小与光子的飞行时间是线性关系，若光子到达时间早，计时电容C放电时间长，它两端的电压变化大；光子到达的时间晚，计时电容C的放电时间短，它两端的电压变化小，因此可以根据第(3)步骤记录的光子的到达时间所对应的电压大小以及第(4)步骤的结束时间所对应的电压大小计算出光子飞行时间，从而实现了时间-模拟的转换。

具体实施例：

本发明基于标准0.18μm的CMOS工艺对上述基于电容放电的线性时间-模拟转换电路进行了仿真，仿真参数具体如下：计时电容C取80fF，雪崩脉冲输入信号设置为脉宽取200ps的连续一段的方波；基于以上仿真参数，本发明进行了时长80ns的仿真，并得到如图3所示的仿真结果图。图中横坐标为仿真时间，纵坐标为输出端的电压值。

初始阶段，由于MOS分压，计时电容C被复位信号充电至1.2V；随后电路检测到第一个雪崩脉冲信号，通过雪崩脉冲输入信号in和输入停止信号Stop触发使得控制逻辑信号Ctrl和它的反向信号Ctrln改变，从而触发计时电容C从1.2V开始放电计时。该模式下输出端电压的波形随着仿真时间也呈较好的线性变化。经过设计，80fF的电容可以实现80ns范围的计时，电压摆幅超过1V，时间分辨率达到240ps，相比于TDC电路，不仅可以实现同等功能，电路功耗和电路面积也大幅度减小。

为了能够实现一定范围内线性的时间-模拟转换，并能够大幅度地减小版图面积，降低电路功耗，提高像素单元的填充因子，本发明利用模拟定时检测光子飞行时间的方案，选用80fF计时电容并对它正负极板上的电荷监测，放置三个开关逻辑，采取雪崩脉冲信号触发的计时方式，即当第一个雪崩脉冲信号in的上升沿到来时，启动计时，将复位好的电容一端开关开启进行放电，当输入停止信号Stop到来时，控制开关关断，停止放电，最后根据光子的到达时间所对应的电压大小和结束时间所对应的电压大小计算出光子飞行时间，即探测光子的往返时间。

整个转换过程为三个阶段，复位准备阶段、放电计时阶段和读出阶段，这三个阶段为一帧信号，在实际的测试过程中连续测量500帧得到一组电压大小数据，进而得到一组时间数据。本发明采用电容面积小，管子数量少，结构简单，最终达到了大幅度减小电路版图的面积的效果，降低电路的整体功耗，还能有效地提高了像元的填充因子。

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紧凑型时间-模拟转换电路，其特征在于，包括1个RS触发器、1个计时电容C、4个NMOS管MN0、MN1、MN2、MN3和4个PMOS管MP0、MP1、MP2、MP3；

其中，雪崩脉冲输入信号in连接RS触发器的置1端口Set，输入停止信号Stop连接RS触发器的置0端口Reset，RS触发器原和反输出端口Q和QN分别接PMOS管MP0和MP1的栅极输入端Ctrl和Ctrln；

所述PMOS管MP0与MP1组成差分结构作为输入级，MN1与MP1组成互补型CMOS开关，MP0、MN1、MP1三个MOS管共同组成控制逻辑控制计时电容C的放电；NMOS管MN0工作在饱和区，为MP0和MP1组成的差分管提供稳定的尾电流；MP2和MP3作为两个PMOS开关，控制计时电容C的复位操作；MN2和MN3组成源级跟随器，将计时电容C上的电压大小读出。

2.根据权利要求1所述的一种应用于单光子探测器的紧凑型时间-模拟转换电路，其特征在于，所述PMOS管MP0的源极接电源Vdd，它的漏极与MP1的漏极相连，并与NMOS管MN0的漏极连接；MN0的栅极外接偏置电压Vb，其源极接地gnd，且MP1的源极与计时电容C的负极板相连；NMOS管MN1的漏极与计时电容C的负极板相连，其栅极与MP0的栅极连接在一起，其源极与MN0的漏极连接；

所述PMOS管MP2和MP3的源极一起接到电源Vdd，它们的栅极同时接复位信号Rstn，它们的漏极分别接到计时电容C的正、负极板；所述NMOS管MN2的漏极接电源Vdd，其栅极与计时电容C的正极板相接，MN2的源极与MN3的漏极相连并连接输出端Vout，而MN3的栅极接输入读取信号Read，其源极接外部总线。

3.根据权利要求2所述的一种应用于单光子探测器的紧凑型时间-模拟转换电路，其特征在于，所述工作流程包括四个阶段，即复位阶段、等待阶段、放电计时阶段和读出阶段：

(1)复位阶段：在发射激光之前，将复位信号Rstn置为低电平，PMOS管MP2和MP3导通，电源Vdd通过MP2和MP3对计时电容C充电，将其两端的电压复位为高电位，随后复位信号Rstn被置为高电平；

(2)等待阶段：当雪崩脉冲输入信号in未到来时，RS触发器输出的控制逻辑信号Ctrl为低电平，使PMOS管MP0导通，且RS触发器的反向控制信号Ctrln信号为高电平，使MOS管MP1和MN1截止，计时电容C两端电位被保持住，以等待光子雪崩脉冲输入信号in到来；

(3)放电计时阶段：当雪崩脉冲输入信号in高电平到来时，RS触发器输出的控制逻辑信号Ctrl为高电平，它的反向信号Ctrln为低电位，此时，控制信号Ctrl将MP0被关断，它的反向信号Ctrln将MP1和MN1组成的互补型CMOS开关开启，与开关相连的计时电容C的负极板经互补型CMOS开关及MN0开始向地gnd放电；

(4)读出阶段：当输入停止信号Stop高电平到来时，RS触发器输出的控制信号Ctrl为低电位，使PMOS管MP0导通，且RS触发器的反向控制信号Ctrln为高电位，它将MP1和MN1组成的互补型CMOS开关关断，计时电容C停止放电，进入读出阶段，即：当NMOS管MN3的栅极输入读取信号Read为高电平，使MN3导通时，源极跟随电路正常工作，计时电容C上的电压通过源极跟随器传输到输出端口Vout。