CN109374139A - 一种单光子飞行时间检测电路及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单光子飞行时间检测电路，该电路包括转换控制逻辑单元，时间‑模拟转换单元和n位数字计时/计数单元。外部单光子探测器输出的外部光子雪崩信号作为转换控制逻辑单元的输入和n位数字计时/计数单元的输入，转换控制逻辑单元的第一输出端接时间‑模拟转换单元的输入，转换控制逻辑单元的第二输出端接n位数字计时/计数单元的控制输入，时间‑模拟转换单元输出光子飞行时间模拟信号，n位数字计时/计数单元输出n位计时/计数信号。本发明同时公开了一种使用该单光子飞行时间检测电路进行光子飞行时间测量的方法。本发明结合了时间‑数字转换和时间‑模拟转换的优势，可以在锁相环时钟频率较低时获得极高的时间分辨率，并显著扩大了光子飞行时间的测量范围。
Description
技术领域
本发明涉及一种测量单光子飞行时间的时间-模数混合转换电路，属于单光子探测和光子飞行时间(TOF)技术领域。
背景技术
由于具有探测灵敏度高、响应速度快、面积小、功耗低和CMOS工艺完全兼容等显著优势，单光子雪崩二极管(Single-Photon Avalanche Diode,SPAD)已在激光测距、荧光寿命成像、DNA测序和3D成像等方面显示出广泛的应用前景。而这些应用领域都需要对光子飞行时间(time-of-flight,TOF)进行测量来获得时间相关的单光子计数/计时结果。目前单光子飞行时间的直接测量方法主要有时间-数字转换和时间-模拟转换两种方法。用于单光子飞行时间测量的时间-数字转换电路虽然具有测量距离长、抑制噪声和干扰能力强等优点，但是存在电路结构复杂，像素单元填充因子低和阵列集成度不高的问题。用于单光子飞行时间测量的时间-模拟转换电路相比于上述时间-数字转换电路，具有时间分辨率高，像素单元填充因子高和阵列集成度高的优势，但是测量距离的范围较短，无法完成远距离测量。
发明内容
发明目的：针对以上问题，本发明提出一种能够同时提高时间分辨率和探测距离的单光子飞行时间测量电路，并有效提高了单光子飞行时间测量电路的像素单元填充因子和阵列集成度。
技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：
一种单光子飞行时间检测电路，该电路包括转换控制逻辑单元，时间-模拟转换单元和n位数字计时/计数单元；外部单光子探测器输出的外部光子雪崩信号作为转换控制逻辑单元的输入和n位数字计时/计数单元的输入，转换控制逻辑单元的第一输出端接时间-模拟转换单元的输入，转换控制逻辑单元的第二输出端接n位数字计时/计数单元的控制输入，时间-模拟转换单元输出光子飞行时间模拟信号，n位数字计时/计数单元输出n位计时/计数信号。
所述的转换控制逻辑单元，包括第一RS触发器，D触发器和二输入异或门；第一RS触发器的S端接收外部光子雪崩信号，第一RS触发器的R端接收外部复位信号，第一RS触发器的Q端连接D触发器的D端和二输入异或门的一个输入端，D触发器的cp端连接外部时钟信号，D触发器的Q端连接二输入异或门的另一个输入端，二输入异或门输出端为转换控制逻辑单元的第一输出端，输出第一控制信号Inf，D触发器的Q端为转换控制逻辑单元的第二输出端，输出第二控制信号Con。
所述的时间-模拟转换单元，包括时间-模拟转换电路和读出选择开关；时间-模拟转换电路的in端接收转换控制逻辑单元的第一控制信号Inf，时间-模拟转换电路的R端连接外部复位信号，时间-模拟转换电路的out端连接读出选择开关，通过外部读信号控制输出光子飞行时间模拟信号。
所述的时间模拟转换单元中的时间-模拟转换电路，包括电容，运算放大器，2个反相器，CMOS传输门，2个NMOS管和6个PMOS管；第一反相器的输入端、第一NMOS管的栅极和CMOS传输门的端接收转换控制逻辑单元的第一控制信号Inf，第一PMOS管的源极和衬底接电源VDD，第一PMOS管的漏极连接第二PMOS管的源极和衬底，第二PMOS管的漏极和其栅极、第一NMOS管的漏极和第五PMOS管的栅极连接，第一NMOS管的源极和衬底接地，第一反相器的输出端接第三PMOS管的栅极和CMOS传输门的C端，第三PMOS管的源极同时与第一PMOS管的栅极和第四PMOS管的栅极相连，第三PMOS管的衬底接电源VDD，第三PMOS管的漏极和第四PMOS管的漏极、第五PMOS管的源极和衬底以及CMOS传输门的输出端2相连，第四PMOS管的源极和衬底接电源VDD，第五PMOS管的漏极和电容的上极板、第六PMOS管的源极和运算放大器的同相输入端相连，CMOS传输门的输入端1和运算放大器的反相输入端、运算放大器的输出端、第六PMOS管的衬底和漏极以及第二NMOS管的漏极连接，第六PMOS管的栅极连接第二反相器的输出端，第二NMOS管的源极和衬底以及电容的下极板接地，第二反相器的输入端和第二NMOS管的栅极接外部复位信号，运算放大器输出光子飞行时间模拟信号。
所述的n位数字计时/计数单元，包括二选一多路选择器，第二RS触发器，n位数字计数器和n位存储器；二选一数据选择器的输入0端接外部时钟信号，输入1端接外部光子雪崩信号，二选一数据选择器的Sel端接外部控制信号MODE，二选一数据选择器的输出端接n位计数器的cp端；第二RS触发器的S端接收转换控制逻辑单元的第二控制信号Con，第二RS触发器的R端接外部停止信号，第二RS触发器Q端接n位数字计数器的使能输入端EN；n位数字计数器的R端接外部复位信号，n位数字计数器的out端接n位存储器的数据Din端，n位存储器的读控制端R接外部读信号，n位存储器的写控制端W接外部写信号，n位存储器out端输出n位计时/计数信号。
使用所述的单光子飞行时间检测电路对单光子飞行时间进行测量的方法，包括以下步骤：
(1)复位和等待阶段：在开始进行光子飞行时间测量之前，外部复位信号输出高电平，n位数字计时/计数单元计数结果清零，时间-模拟转换单元复位，第一RS触发器的输出为低电平，整个电路处于等待状态；当外部复位信号持续两个时钟周期变为低电平后启动光子飞行时间测量操作，激光器光源开始发射光子，计时起始时间从外部复位信号变为低电平时起计算；
(2)精计时：当第一个外部光子雪崩信号到来时，第一RS触发器检测到外部光子雪崩信号的上升沿，其输出变为高电平，转换控制逻辑单元的第一控制信号Inf变为高电平，时间-模拟转换单元开始计时工作，其输出电压在外部时钟信号上升沿到来之前随着时间线性增加；
(3)粗计时：在接收到外部光子雪崩信号后的第一个外部时钟信号上升沿到来时，转换控制逻辑单元的第一控制信号Inf变为低电平，时间-模拟转换单元处于保持阶段，其输出电压不再随时间发生变化；同时转换控制逻辑单元的第二控制信号Con变为高电平，第二RS触发器输出变为高电平，n位数字计数器的使能信号有效，n位计时/计数单元开始工作；当外部控制信号MODE为低电平时，n位数字计数器对外部时钟信号进行计时，当外部控制信号MODE为高电平时，n位数字计数器对输入的外部光子雪崩信号个数进行计数。
(4)写入：当外部停止信号输出停止脉冲时，第二RS触发器输出变为低电平，n位数字计数器的使能信号无效，停止计时/计数；当外部停止信号发出停止脉冲后，外部写信号发出写入脉冲，n位数字计数器的计时/计数结果写入n位存储器进行暂存。
(5)光子飞行时间计算：当外部读信号输出读出脉冲时，将时间-模拟转换电路和n位存储器中模拟和数字计时结果同时读出，根据时间-模拟转换电路读出的模拟计时信息可以算出精计时阶段的时间Tfine，根据n位存储器读出的数字计时信息可以算出粗计时阶段的时间Tcoarse，从计时起始时间开始到外部停止信号结束为总测量时间Ttotal，最后得到光子飞行时间TOF＝Ttotal-Tfine-Tcoarse。
有益效果：相比于现有技术，本发明具有以下显著优势：
1、本发明提出一种高分辨率和大动态范围的单光子飞行时间检测电路及测量方法，可以在输入时钟频率较低时获得极高的时间分辨率，并显著扩大了光子飞行时间的测量范围，从而提高激光测量距离和测量精度。
2、本发明提出的时间-模数混合转换器电路简单，不需要传统TDC电路的延迟线电路、热编码器和锁存器等部件，整个电路占用的芯片版图面积小，有效地提高了SPAD像素单元的填充因子，提高了SPAD阵列探测器的集成度。
3、本发明提出的时间-模数混合转换器的时序操作简单，数字定时/计数电路的工作频率低，制造工艺与CMOS工艺完成兼容，具有低成本和低功耗的优点。
4、本发明提出的时间-模数混合转换器既可以实现对光子飞行时间进行检测，还可以对单位时间内到达的光子数量进行计数，可以进一步实现3D和2D的成像。
附图说明
图1是本发明一种单光子飞行时间检测电路及测量方法的单元结构图；
图2是本发明所述的转换控制逻辑单元的电路图；
图3是本发明所述的时间-模拟转换单元的电路图；
图4是本发明所述的时间-模拟转换电路的电路图；
图5是本发明所述的n位数字计时/计数单元的电路图；
图6是本发明所述的时间-模数混合转换器的工作时序图；
图7是本发明所述的时间-模数混合转换器的仿真结果图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
如图1所示，本发明所述的一种单光子飞行时间检测电路，包括转换控制逻辑单元，时间-模拟转换单元和n位数字计时/计数单元；外部单光子探测器输出的外部光子雪崩信号作为转换控制逻辑单元的输入和n位数字计时/计数单元的输入，转换控制逻辑单元的第一输出端接时间-模拟转换单元的输入，转换控制逻辑单元的第二输出端接n位数字计时/计数单元的控制输入，时间-模拟转换单元输出光子飞行时间模拟信号Aout，n位数字计时/计数单元输出n位计时/计数信号Dout<0:n-1>。
如图2所示，所述的转换控制逻辑单元，第一RS触发器RSFF_1的S端接收外部光子雪崩信号，第一RS触发器RSFF_1的R端接收外部复位信号，第一RS触发器RSFF_1的Q端连接D触发器DFF的D端和异或门XOR的一个输入端，D触发器DFF的cp端连接外部时钟信号，D触发器DFF的Q端为转换控制逻辑单元的第二输出端，输出第二控制信号Con，D触发器DFF的Q端连接异或门XOR的另一个输入端，异或门XOR的输出端为转换控制逻辑单元的第一输出端，输出第一控制信号Inf。
如图3所示，所述的时间-模拟转换单元，时间-模拟转换电路TAC的in端接收转换控制逻辑单元的第一控制信号Inf，时间-模拟转换电路TAC的R端连接外部复位信号，时间-模拟转换电路TAC的out端连接读出选择开关K，通过外部读信号Read控制输出光子飞行时间模拟信号。
如图4所示，所述的时间模拟转换单元中的时间-模拟转换电路TAC，反相器INV_1的输入端、第一NMOS管MN1栅极和CMOS传输门TG的端接收转换控制逻辑单元的第一控制信号Inf，第一PMOS管MP1源极和衬底接电源VDD，第一PMOS管MP1漏极连接第二PMOS管MP2源极和衬底，第二PMOS管MP2漏极和其栅极、第一NMOS管MN1漏极和第五PMOS管MP5栅极连接，第一NMOS管MN1源极和衬底接地，第一反相器INV_1的输出端接第三PMOS管MP3栅极和CMOS传输门TG的C端，第三PMOS管MP3源极同时与第一PMOS管MP1栅极和第四PMOS管MP4栅极相连，第三PMOS管MP3衬底接电源VDD，第三PMOS管MP3漏极和第四PMOS管MP4漏极、第五PMOS管MP5的源极和衬底以及CMOS传输门TG的输出端2相连，第四PMOS管MP4源极和衬底接电源VDD，第五PMOS管MP5漏极和电容C的上极板、第六PMOS管MP6源极和运算放大器Amp的同相输入端相连，CMOS传输门TG的输入端1和运算放大器Amp的反相输入端、运算放大器Amp的输出端、第六PMOS管MP6衬底和漏极以及第二NMOS管MN2漏极连接，第六PMOS管MP6栅极连接第二反相器INV_2的输出端，第二NMOS管MN2源极和衬底以及电容C的下极板接地，第二反相器INV_2的输入端和第二NMOS管MN2的栅极接外部复位信号，运算放大器Amp输出光子飞行时间模拟信号out。
如图5所示，所述的n位数字计时/计数单元中，二选一多路选择器MUX的输入0端接外部时钟信号，输入1端接外部光子雪崩信号，二选一多路选择器MUX的Sel端接外部控制信号MODE，二选一多路选择器MUX的输出端接n位数字计数器Counter的cp端。第二RS触发器RSFF_2的S端接收转换控制逻辑单元的第二控制信号Con，第二RS触发器RSFF_2的R端接外部停止信号，第二RS触发器RSFF_2的Q端接n位数字计数器Counter的EN端。n位数字计数器Counter的R端接外部复位信号，n位数字计数器Counter的out端接Memory的数据Din端，n位存储器Memory的读控制端R接外部读信号，n位存储器Memory的写控制端W接外部写信号Write，n位存储器Memory的out端输出n位计时/计数信号Dout<0:n-1>。
如图6所示，为所述的单光子飞行时间检测电路工作时序图，测量光子飞行时间的具体步骤为：
(1)复位和等待阶段：在开始进行光子飞行时间测量之前，外部复位信号Rst输出高电平，n位数字计时/计数单元计数结果清零，时间-模拟转换单元复位，第一RS触发器的输出信号Control为低电平，整个电路处于等待状态；当外部复位信号Rst持续两个时钟周期变为低电平后启动光子飞行时间测量操作，激光器光源开始发射光子，计时起始时间从外部复位信号Rst变为低电平时起计算；
(2)精计时：当第一个外部光子雪崩信号Photon到来时，第一RS触发器检测到外部光子雪崩信号Photon的上升沿，其输出信号Control变为高电平，由于D触发器为边沿敏感型触发器，在外部时钟信号CLK上升沿到来之前，D触发器的输出保持低电平，因此异或门输出信号变为高电平，即转换控制逻辑单元的第一控制信号Inf变为高电平，时间-模拟转换单元开始计时工作，其输出电压在外部时钟信号上升沿到来之前随着时间线性增加；
(3)粗计时：在接收到外部光子雪崩信号Photon后的第一个外部时钟信号CLK上升沿到来时，D触发器检测到上升沿输出变为高电平，因此异或门输出变为低电平，即转换控制逻辑单元的第一控制信号Inf变为低电平，时间-模拟转换单元处于保持阶段，其输出电压不再随时间发生变化；同时由于D触发器的输出，即转换控制逻辑单元的第二控制信号Con变为高电平，第二RS触发器输出变为高电平，n位数字计数器的使能信号有效，n位计时/计数单元开始工作；当外部控制信号MODE为低电平时，n位数字计数器对外部时钟信号进行计时，当外部控制信号MODE为高电平时，n位数字计数器对输入的外部光子雪崩信号个数进行计数。
(4)写入：当外部停止信号STOP输出停止脉冲时，第二RS触发器输出变为低电平，n位数字计数器的使能信号无效，停止计时/计数；当外部停止信号STOP发出停止脉冲后，外部写信号Write发出写入脉冲，n位数字计数器的计时/计数结果写入n位存储器进行暂存。
(4)光子飞行时间计算：当外部读信号Read输出读出脉冲时，将时间-模拟转换电路和n位存储器中模拟和数字计时结果同时读出，根据时间-模拟转换电路读出的模拟计时信息可以算出精计时阶段的时间Tfine，根据n位存储器读出的数字计时信息可以算出粗计时阶段的时间Tcoarse，从计时起始时间开始到外部停止信号结束为总测量时间Ttotal，最后得到光子飞行时间TOF＝Ttotal-Tfine-Tcoarse。
如图7所示，为对所述的单光子飞行时间测量电路的电路仿真结果，使用的部分参数设置如下：高电平为1.8V，电容C为80fF，数字计数器Counter为7位二进制计数器，外部时钟信号CLK的时钟周期为8ns，外部光子雪崩信号photon为脉宽200ps的随机窄脉冲。可以看到，该测量电路在外部光子雪崩信号photon到来时，时间模拟转换单元的输出信号Aout开始随时间线性增加，由于电容C的最小读出电压为3mV，可计算出该测量电路的时间分辨率可达25ps，用来测量单光子飞行时间具有很高的精度。另外，外部时钟信号周期设置为8ns时，选择7位数字计数器就可以实现最高309米的光子飞行距离测量，从而同时满足对长距离探测和高时间分辨率的要求。
Claims (6)
1.一种单光子飞行时间检测电路，其特征在于：该电路包括转换控制逻辑单元，时间-模拟转换单元和n位数字计时/计数单元；外部单光子探测器输出的光子雪崩信号作为转换控制逻辑单元的输入和n位数字计时/计数单元的输入，转换控制逻辑单元的第一输出端接时间-模拟转换单元的输入，转换控制逻辑单元的第二输出端接n位数字计时/计数单元的控制输入端，时间-模拟转换单元输出光子飞行时间相关的模拟信号，n位数字计时/计数单元输出光子飞行时间相关的数字信号。
2.根据权利要求1所述的单光子飞行时间检测电路，其特征在于：所述的转换控制逻辑单元包括第一RS触发器，D触发器和二输入异或门；第一RS触发器的S端接收外部光子雪崩信号，第一RS触发器的R端接收外部复位信号，第一RS触发器的Q端连接D触发器的D端和二输入异或门的一个输入端，D触发器的cp端连接外部时钟信号，D触发器的Q端连接二输入异或门的另一个输入端，二输入异或门输出端为转换控制逻辑单元的第一输出端，输出第一控制信号(Inf)，D触发器的Q端为转换控制逻辑单元的第二输出端，输出第二控制信号(Con)。
3.根据权利要求1所述的单光子飞行时间检测电路，其特征在于：所述的时间-模拟转换单元包括时间-模拟转换电路和读出选择开关；时间-模拟转换电路的in端接收转换控制逻辑单元输出的第一控制信号(Inf)，时间-模拟转换电路的R端连接外部复位信号，时间-模拟转换电路的out端连接读出选择开关，通过外部读信号控制读出选择开关来输出光子飞行时间模拟信号。
4.根据权利要求3所述的单光子飞行时间检测电路，其特征在于：所述的时间-模拟转换电路包括电容，运算放大器，2个反相器，CMOS传输门，2个NMOS管和6个PMOS管；第一反相器的输入端、第一NMOS管的栅极和CMOS传输门的端接收转换控制逻辑单元的第一控制信号(Inf)，第一PMOS管的源极和衬底接电源VDD，第一PMOS管的漏极连接第二PMOS管的源极和衬底，第二PMOS管的漏极和其栅极、第一NMOS管的漏极和第五PMOS管的栅极连接，第一NMOS管的源极和衬底接地，第一反相器的输出端接第三PMOS管的栅极和CMOS传输门的C端，第三PMOS管的源极同时与第一PMOS管的栅极和第四PMOS管的栅极相连，第三PMOS管的衬底接电源VDD，第三PMOS管的漏极和第四PMOS管的漏极、第五PMOS管的源极和衬底以及CMOS传输门的输出端2相连，第四PMOS管的源极和衬底接电源VDD，第五PMOS管的漏极和电容的上极板、第六PMOS管的源极和运算放大器的同相输入端相连，CMOS传输门的输入端1和运算放大器的反相输入端、运算放大器的输出端、第六PMOS管的衬底和漏极以及第二NMOS管的漏极连接，第六PMOS管的栅极连接第二反相器的输出端，第二NMOS管的源极和衬底以及电容的下极板接地，第二反相器的输入端和第二NMOS管的栅极接外部复位信号，运算放大器输出光子飞行时间模拟信号。
5.根据权利要求1所述的单光子飞行时间检测电路，其特征在于：所述的n位计时/计数单元包括二选一多路选择器，第二RS触发器，n位数字计数器和n位存储器；二选一数据选择器的输入0端接外部时钟信号，输入1端接外部光子雪崩信号，二选一数据选择器的Sel端接外部控制信号(MODE)，二选一数据选择器的输出端接n位计数器的cp端；第二RS触发器的S端接收转换控制逻辑单元的第二控制信号(Con)，第二RS触发器的R端接外部停止信号，第二RS触发器Q端接n位数字计数器的使能输入端EN；n位数字计数器的R端接外部复位信号，n位数字计数器的out端接n位存储器的数据Din端，n位存储器的读控制端R接外部读信号，n位存储器的写控制端W接外部写信号，n位存储器out端输出n位计时/计数信号。
6.一种使用权利要求1-5任一项所述的单光子飞行时间检测电路对单光子飞行时间进行测量的方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)复位和等待阶段：在开始进行光子飞行时间测量之前，外部复位信号输出高电平，n位数字计时/计数单元计数结果清零，时间-模拟转换单元复位，整个电路处于等待状态；当外部复位信号持续一段时间变为低电平后启动光子飞行时间测量操作，外部光源开始发射光子，计时起始时间从外部复位信号变为低电平时起计算；
(2)精计时：当第一个外部光子雪崩信号到来时，转换控制逻辑单元的第一控制信号(Inf)变为高电平，控制时间-模拟转换单元开始计时工作，时间-模拟转换单元的输出电压在外部时钟信号上升沿到来之前随着时间线性增加；
(3)粗计时：在接收到外部光子雪崩信号后的第一个外部时钟信号上升沿到来时，转换控制逻辑单元的第一控制信号(Inf)变为低电平，时间-模拟转换单元处于保持阶段，其输出电压不再随时间发生变化；同时转换控制逻辑单元的第二控制信号(Con)变为高电平，控制n位计时/计数单元开始工作，外部控制信号MODE控制n位数字计数器在计时模式和计数模式间切换。
(4)写入：当外部停止信号输出停止脉冲时，n位数字计数器停止计时或计数；当外部停止信号发出停止脉冲后，外部写信号发出写入脉冲，n位数字计数器的计时或计数结果写入n位存储器进行暂存。
(5)光子飞行时间计算：当外部读信号输出读出脉冲时，将时间-模拟转换电路的模拟计时结果和n位存储器中数字计时结果同时读出，根据时间-模拟转换电路读出的模拟计时信息可以算出精计时阶段的时间Tfine，根据n位存储器读出的数字计时信息可以算出粗计时阶段的时间Tcoarse，从计时起始时间开始到外部停止信号结束为总测量时间Ttotal，最后得到光子飞行时间TOF＝Ttotal-Tfine-Tcoarse。
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