CN110646780B - 一种应用于单光子飞行时间测距系统的光子同步检测电路及其制备方法 - Google Patents
一种应用于单光子飞行时间测距系统的光子同步检测电路及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种应用于单光子飞行时间测距系统的光子同步检测电路及其制备方法。本发明属于激光测距和3D成像技术领域，包括T触发器TFF_1、T触发器TFF_2、T触发器TFF_3、T触发器TFF_4、树型判断电路以及复位电路。本发明适用于像素单元中各器件雪崩响应时间间隔较小或同时响应的情况；通过设定控制电平可以根据噪声的强弱改变噪声抑制性能的等级；本发明新颖且实现简单，不需要使用大面积的触发器部件，主要的树型判断电路仅采用简单的门电路连接，复杂度低，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，而且本发明主要部分采用数字电路的方式实现，检测结果具有更高的准确性和精度，电路具有很高的稳定性和可靠性。
Description
技术领域
本发明属于激光测距和3D成像技术领域；提出了一种应用于单光子飞行时间测距系统的光子同步检测电路及其制备方法。
背景技术
由于具有高灵敏度、高探测效率、高时间分辨率、低功耗与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)在单光子飞行时间测距和3D成像等技术领域具有广泛的应用前景。但是在单光子飞行时间测距的应用中SPAD器件在探测激光回波的光子时受到环境光子噪声的严重影响，当环境光较强且目标距离较远时怎样抑制环境光子的干扰尤为重要。采用传统的门窗法在外界环境光子噪声较大时像素单元中器件雪崩响应间隔时间较短或同时响应时，导致计数器的计数出现严重的错误，因此该方法不能抑制强的环境光子噪声。本发明为了能够在外界环境光子噪声较大且像素单元中器件雪崩响应间隔时间短的情况下依旧具有良好的噪声抑制能力，提出了一种新型的数字型光子同步检测电路，在提高探测器噪声抑制能力和适用范围的同时还能够有效降低电路复杂度并提高检测的精度，并大大提高测距像素单元的可制造性和可靠性。
发明内容
本发明的目的是针对现有光子同步检测电路结构复杂、制造不易和检测精度不够高等问题，本发明提出一种电路结构简单、成本低和和精度高的光子同步检测电路及其制备方法，应用于单光子飞行时间测距。
本发明的技术方案为：一种应用于单光子飞行时间测距系统的光子同步检测电路，所述的光子同步检测电路包括T触发器TFF_1、T触发器TFF_2、T触发器TFF_3、T触发器TFF_4、树型判断电路及复位电路，
其中：
所述T触发器TFF_1的时钟输入端Clk1和复位电路的输入端W1分别连接在单光子雪崩二极管产生的雪崩脉冲输入信号A1上，
所述T触发器TFF_2的时钟输入端Clk2和复位电路的输入端W2分别连接在单光子雪崩二极管产生的雪崩脉冲输入信号A2上，
所述T触发器TFF_3的时钟输入端Clk3和复位电路的输入端W3分别连接在单光子雪崩二极管产生的雪崩脉冲输入信号A3上，
所述T触发器TFF_1的时钟输入端Clk4和复位电路的输入端W4分别连接在单光子雪崩二极管产生的雪崩脉冲输入信号A4上；
所述T触发器TFF_1的触发输入端T1连接在电源电压VDD上，其输出端Q1连接在树型判断电路的输入端A上；
所述T触发器TFF_2的触发输入端T2连接在电源电压VDD上，其输出端Q2连接在树型判断电路的输入端B上；
所述T触发器TFF_3的触发输入端T3连接在电源电压VDD上，其输出端Q3连接在树型判断电路的输入端C上；
所述T触发器TFF_4的触发输入端T4连接在电源电压VDD上，其输出端Q4连接在树型判断电路的输入端D上；
所述树型判断电路的两个输入端S1、S0分别外接工作模式选择信号S1、S0，实现四种工作模式；
所述复位电路的输出端S输出的触发信号TRIGGER连接在后续的时间-数字转换电路上，用来触发时间-数字转换电路开始工作；
所述树型判断电路的输出端OUT输出的判定信号OK连接在后续的时间-数字转换电路，用来判定光子同步检测电路的雪崩脉冲输入信号是否为有效的激光光子触发，当判定信号OK为高电平时；则后续的时间数字-转换电路的转换结果有效，当判定信号OK为低电平时；则后续的时间数字-转换电路的转换结果无效；
所述复位电路的输出端N输出局部复位信号Reset，它同时连接T触发器TFF_1、T触发器TFF_2、T触发器TFF_3、T触发器TFF_4的重置端Reset1、Reset2、Reset3及Reset4；
所述复位电路的输入端R连接外部的全局复位信号R。
优选的，所述树型判断电路包括四选一数据选择器MUX、四输入或门OR4_1、四输入或门OR4_2、四输入与门AND4_1、三输入或门OR3_1、三输入与门AND3_1、三输入与门AND3_2、三输入与门AND3_3、三输入与门AND3_4、二输入或门OR2_1、二输入或门OR2_2、二输入与门AND2_1、二输入与门AND2_2、二输入与门AND2_3，
其中：树型判断电路的输入端A分别连接四输入或门OR4_1的第一个输入端、二输入与门AND2_1的一个输入端、二输入或门OR2_1的一个输入端、三输入与门AND3_1的第一个输入端、三输入与门AND3_2的第一个输入端、三输入与门AND3_3的第一个输入端和四输入与门AND4_1的第一个输入端；
树型判断电路的输入端B分别连接四输入或门OR4_1的第二个输入端、二输入与门AND2_1的另一个输入端、二输入或门OR2_1的另一个输入端、三输入与门AND3_1的第二个输入端、三输入与门AND3_2的第二个输入端、三输入与门AND3_4的第一个输入端和四输入与门AND4_1的第二个输入端；
树型判断电路的输入端C分别连接四输入或门OR4_1的第三个输入端、二输入或门OR2_2的一个输入端、二输入与门AND2_2的一个输入端、三输入与门AND3_1的第三个输入端、三输入与门AND3_3的第二个输入端、三输入与门AND3_4的第二个输入端和四输入与门AND4_1的第三个输入端；
树型判断电路的输入端D分别连接四输入或门OR4_1的第四个输入端、二输入或门OR2_2的另一个输入端、二输入与门AND2_2的另一个输入端、三输入与门AND3_2的第三个输入端、三输入与门AND3_3的第三个输入端、三输入与门AND3_4的第三个输入端和四输入与门AND4_1的第四个输入端；
所述树型判断电路的二输入或门OR2_1的输出端连接二输入与门AND2_3的一个输入端，二输入或门OR2_2的输出端连接二输入与门AND2_3的另一个输入端；二输入与门AND2_1、二输入与门AND2_2和二输入与门AND2_3的输出端分别连接三输入或门OR3_1的三个输入端；三输入与门AND3_1、三输入与门AND3_2、三输入与门AND3_3和三输入与门AND3_4的输出端分别连接四输入或门OR4_2的四个输入端；四输入或门OR4_1、三输入或门OR3_1、四输入或门OR4_2和四输入与门AND4_1的输出端分别连接四选一数据选择器MUX的四个数据输入端C1、C2、C3和C4；
树型判断电路的四选一数据选择器MUX的控制输入端S1和S0分别外接工作模式选择信号S1和S0，数据选择器MUX的输出端OUT输出判定信号OK。
优选的，所述复位电路包括二输入或门OR_1、二输入或门OR_2、二输入或门OR_3、二输入或门OR_4、二输入或非门NOR_1、二输入或非门NOR_2、二输入或非门NOR_3、PMOS管MP1、NMOS管MN1和NMOS管MN2，
其中，复位电路的输入端W1和输入端W2分别连接二输入或门OR_1的两个输入端，输入端W3和输入端W4分别连接二输入或门OR_2的两个输入端，二输入或门OR_1和二输入或门OR_2的输出端分别连接二输入或门OR_3的两个输入端，二输入或门OR_3的输出端连接二输入或非门NOR_2的一个输入端；
二输入或非门NOR_2的另一个输入端同时连接二输入或非门NOR_1的输出端、PMOS管MP1的栅极和NMOS管MN1的栅极；二输入或非门NOR_2的输出端同时连接二输入或非门NOR_1的一个输入端和二输入或非门NOR_3的一个输入端；二输入或非门NOR_1的另一个输入端连接二输入或门OR_4的输出端；
PMOS管MP1的源极连接电源电压VDD，PMOS管MP1的漏极同时连接NMOS管MN1的漏极、NMOS管MN2的栅极和二输入或非门NOR_3的另一个输入端；NMOS管MN1的源极接地；NMOS管MN2的漏极同时连接其源极和地；
二输入或非门NOR_3的输出端连接二输入或门OR_4的一个输入端，复位电路的输入端R连接二输入或门OR_4的另一个输入端；二输入或非门NOR_1的输出端S输出触发信号TRIGGER；二输入或门OR_4的输出端N输出局部复位信号Reset。
优选的，其所述电路的工作流程包括三个阶段，即准备阶段、启动/检测阶段及复位阶段：
(1)、准备阶段：首先在激光光子或环境光子噪声到来之前，全局复位信号R为高电平，T触发器TFF_1、T触发器TFF_2、T触发器TFF_3、T触发器TFF_4的输出端Q1、Q2、Q3、Q4均为低电平；树型判断电路和复位电路停止工作，输出的判定信号OK和触发信号TRIGGER均为低电平；当全局复位信号R由高电平变为低电平，完成了全局复位工作；然后设定好工作模式选择信号S1、S0的电平，S1、S0同时为低时为工作模式一；S1为低而S0为高时为工作模式二；S1为高而S0为低时为工作模式三；S1、S0同时为高时为工作模式四，选择好工作模式后准备检测操作；
(2)、启动/检测阶段：当光子或噪声到来时，即检测到雪崩脉冲输入信号A1、雪崩脉冲输入信号A2、雪崩脉冲输入信号A3、雪崩脉冲输入信号A4中存在高电平时，相应的T触发器TFF_1、T触发器TFF_2、T触发器TFF_3、T触发器TFF_4的输出端Q变为高电平；复位电路的输出端S所输出的触发信号TRIGGER变为高电平，启动后续的时间-数字转换电路进行工作；树型判断电路根据所选择的工作模式输出相应的判定信号OK；当选择工作模式一时，在检测时间内四路雪崩脉冲输入信号只要有一路信号响应，判定信号OK输出为高电平，判定后续的时间数字-转换电路的转换结果有效；当选择工作模式二时，在检测时间内至少有两路雪崩脉冲输入信号响应时，则判定信号OK才输出为高电平，判定后续的时间数字-转换电路的转换结果有效；当选择工作模式三时，在检测时间内有至少三路雪崩脉冲输入信号响应时，判定信号OK输出才为高电平，判定后续的时间数字-转换电路的转换结果有效；当选择工作模式四时，在检测时间内四路雪崩脉冲输入信号都响应时，判定信号OK才输出为高电平，判定后续的时间数字-转换电路的转换结果有效；以此实现同步检测、抑制噪声的功能；
(3)、复位阶段：当一次触发、检测工作完成时，复位电路通过NMOS管MN2构成的MOS电容的充放电过程在复位电路的输出端N产生局部复位信号Reset，同时对T触发器TFF_1、T触发器TFF_2、T触发器TFF_3、T触发器TFF_4进行复位。
本发明的有益效果是：1、本发明提出的光子同步检测电路可以在单光子飞行时间测距中进行准确、高效的噪声抑制。采用同步检测的方法可以适用于像素单元中各器件雪崩响应时间间隔较小或同时响应的情况；通过设定控制电平可以根据噪声的强弱改变噪声抑制性能的等级。
2、本发明提出的光子同步检测电路结构新颖且实现简单，不需要使用大面积的触发器部件，主要的树型判断电路仅采用简单的门电路连接，复杂度低，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。
3、本发明提出的光子同步检测电路主要部分采用数字电路的方式实现，检测结果具有更高的准确性和精度，电路具有很高的稳定性和可靠性。
附图说明
图1为本发明提出的光子同步检测电路总体电路结构示意图；
图2为本发明提出的树型判断电路结构示意图；
图3为本发明提出的复位电路结构示意图；
图4为本发明提出的光子同步检测电路工作时序图；
图5为本发明提出的光子同步检测电路具体实施例的仿真结果示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
如图1所述，一种应用于单光子飞行时间测距系统的光子同步检测电路；所述的光子同步检测电路包括T触发器TFF_1、T触发器TFF_2、T触发器TFF_3、T触发器TFF_4、树型判断电路及复位电路，
其中：
所述T触发器TFF_1的时钟输入端Clk1和复位电路的输入端W1分别连接在单光子雪崩二极管产生的雪崩脉冲输入信号A1上，
所述T触发器TFF_2的时钟输入端Clk2和复位电路的输入端W2分别连接在单光子雪崩二极管产生的雪崩脉冲输入信号A2上，
所述T触发器TFF_3的时钟输入端Clk3和复位电路的输入端W3分别连接在单光子雪崩二极管产生的雪崩脉冲输入信号A3上，
所述T触发器TFF_1的时钟输入端Clk4和复位电路的输入端W4分别连接在单光子雪崩二极管产生的雪崩脉冲输入信号A4上；
所述T触发器TFF_1的触发输入端T1连接在电源电压VDD上，其输出端Q1连接在树型判断电路的输入端A上；
所述T触发器TFF_2的触发输入端T2连接在电源电压VDD上，其输出端Q2连接在树型判断电路的输入端B上；
所述T触发器TFF_3的触发输入端T3连接在电源电压VDD上，其输出端Q3连接在树型判断电路的输入端C上；
所述T触发器TFF_4的触发输入端T4连接在电源电压VDD上，其输出端Q4连接在树型判断电路的输入端D上；
所述树型判断电路的两个输入端S1、S0分别外接工作模式选择信号S1、S0，实现四种工作模式；
所述复位电路的输出端S输出的触发信号TRIGGER连接在后续的时间-数字转换电路上，用来触发时间-数字转换电路开始工作；
所述树型判断电路的输出端OUT输出的判定信号OK连接在后续的时间-数字转换电路，用来判定光子同步检测电路的雪崩脉冲输入信号是否为有效的激光光子触发，当判定信号OK为高电平时；则后续的时间数字-转换电路的转换结果有效，当判定信号OK为低电平时；则后续的时间数字-转换电路的转换结果无效；
所述复位电路的输出端N输出局部复位信号Reset，它同时连接T触发器TFF_1、T触发器TFF_2、T触发器TFF_3、T触发器TFF_4的重置端Reset1、Reset2、Reset3及Reset4；
所述复位电路的输入端R连接外部的全局复位信号R。
如图2所述，所述树型判断电路包括四选一数据选择器MUX、四输入或门OR4_1、四输入或门OR4_2、四输入与门AND4_1、三输入或门OR3_1、三输入与门AND3_1、三输入与门AND3_2、三输入与门AND3_3、三输入与门AND3_4、二输入或门OR2_1、二输入或门OR2_2、二输入与门AND2_1、二输入与门AND2_2、二输入与门AND2_3，
其中：树型判断电路的输入端A分别连接四输入或门OR4_1的第一个输入端、二输入与门AND2_1的一个输入端、二输入或门OR2_1的一个输入端、三输入与门AND3_1的第一个输入端、三输入与门AND3_2的第一个输入端、三输入与门AND3_3的第一个输入端和四输入与门AND4_1的第一个输入端；
树型判断电路的输入端B分别连接四输入或门OR4_1的第二个输入端、二输入与门AND2_1的另一个输入端、二输入或门OR2_1的另一个输入端、三输入与门AND3_1的第二个输入端、三输入与门AND3_2的第二个输入端、三输入与门AND3_4的第一个输入端和四输入与门AND4_1的第二个输入端；
树型判断电路的输入端C分别连接四输入或门OR4_1的第三个输入端、二输入或门OR2_2的一个输入端、二输入与门AND2_2的一个输入端、三输入与门AND3_1的第三个输入端、三输入与门AND3_3的第二个输入端、三输入与门AND3_4的第二个输入端和四输入与门AND4_1的第三个输入端；
树型判断电路的输入端D分别连接四输入或门OR4_1的第四个输入端、二输入或门OR2_2的另一个输入端、二输入与门AND2_2的另一个输入端、三输入与门AND3_2的第三个输入端、三输入与门AND3_3的第三个输入端、三输入与门AND3_4的第三个输入端和四输入与门AND4_1的第四个输入端；
所述树型判断电路的二输入或门OR2_1的输出端连接二输入与门AND2_3的一个输入端，二输入或门OR2_2的输出端连接二输入与门AND2_3的另一个输入端；二输入与门AND2_1、二输入与门AND2_2和二输入与门AND2_3的输出端分别连接三输入或门OR3_1的三个输入端；三输入与门AND3_1、三输入与门AND3_2、三输入与门AND3_3和三输入与门AND3_4的输出端分别连接四输入或门OR4_2的四个输入端；四输入或门OR4_1、三输入或门OR3_1、四输入或门OR4_2和四输入与门AND4_1的输出端分别连接四选一数据选择器MUX的四个数据输入端C1、C2、C3和C4；
树型判断电路的四选一数据选择器MUX的控制输入端S1和S0分别外接工作模式选择信号S1和S0，数据选择器MUX的输出端OUT输出判定信号OK。
如图3所述，所述复位电路包括二输入或门OR_1、二输入或门OR_2、二输入或门OR_3、二输入或门OR_4、二输入或非门NOR_1、二输入或非门NOR_2、二输入或非门NOR_3、PMOS管MP1、NMOS管MN1和NMOS管MN2，
其中，复位电路的输入端W1和输入端W2分别连接二输入或门OR_1的两个输入端，输入端W3和输入端W4分别连接二输入或门OR_2的两个输入端，二输入或门OR_1和二输入或门OR_2的输出端分别连接二输入或门OR_3的两个输入端，二输入或门OR_3的输出端连接二输入或非门NOR_2的一个输入端；
二输入或非门NOR_2的另一个输入端同时连接二输入或非门NOR_1的输出端、PMOS管MP1的栅极和NMOS管MN1的栅极；二输入或非门NOR_2的输出端同时连接二输入或非门NOR_1的一个输入端和二输入或非门NOR_3的一个输入端；二输入或非门NOR_1的另一个输入端连接二输入或门OR_4的输出端；
PMOS管MP1的源极连接电源电压VDD，PMOS管MP1的漏极同时连接NMOS管MN1的漏极、NMOS管MN2的栅极和二输入或非门NOR_3的另一个输入端；NMOS管MN1的源极接地；NMOS管MN2的漏极同时连接其源极和地；
二输入或非门NOR_3的输出端连接二输入或门OR_4的一个输入端，复位电路的输入端R连接二输入或门OR_4的另一个输入端；二输入或非门NOR_1的输出端S输出触发信号TRIGGER；二输入或门OR_4的输出端N输出局部复位信号Reset。
在复位电路的输入端W1、输入端W2、输入端W3、输入端W4为低电平时，全局复位信号R为高电平，二输入或门四OR_4的输出为高电平，二输入或非门NOR_1的输出端S为低电平，通过PMOS管MP1和NMOS管MN1后输出高电平到NMOS管MN2的栅极，对NMOS管MN2构成的MOS电容进行充电；当复位电路的输入端W1、输入端W2、输入端W3、输入端W4中存在有效高电平时，二输入或门OR_3输出高电平，此时二输入或非门NOR_1的输出端S输出的触发信号TRIGGER为高电平；同时二输入或非门NOR_1的输出端S输出的高电平通过PMOS管MP1和NMOS管MN1后输出低电平到NMOS管MN2的栅极，对NMOS管MN2构成的MOS电容进行一定延时的放电，使得NMOS管MN2栅极的电位延时降低；NMOS管MN2栅极的电位和二输入或非门NOR_2的输出端的低电平通过二输入或非门NOR_3进行或非；或非后的结果再和全局复位信号R通过二输入或门OR_4相或并在复位电路的输出端N产生局部复位信号Reset，该局部复位信号被同时送到二输入或非门NOR_1的一个输入端和四个T触发器的重置端Reset1、Reset2、Reset3、Reset4,实现一次工作后的复位清零。
如图4所述，其所述电路的工作流程包括三个阶段，即准备阶段、启动/检测阶段及复位阶段：
(1)、准备阶段：首先在激光光子或环境光子噪声到来之前，全局复位信号R为高电平，T触发器TFF_1、T触发器TFF_2、T触发器TFF_3、T触发器TFF_4的输出端Q1、Q2、Q3、Q4均为低电平；树型判断电路和复位电路停止工作，输出的判定信号OK和触发信号TRIGGER均为低电平；当全局复位信号R由高电平变为低电平，完成了全局复位工作；然后设定好工作模式选择信号S1、S0的电平，S1、S0同时为低时为工作模式一；S1为低而S0为高时为工作模式二；S1为高而S0为低时为工作模式三；S1、S0同时为高时为工作模式四，选择好工作模式后准备检测操作；
(2)、启动/检测阶段：当光子或噪声到来时，即检测到雪崩脉冲输入信号A1、雪崩脉冲输入信号A2、雪崩脉冲输入信号A3、雪崩脉冲输入信号A4中存在高电平时，相应的T触发器TFF_1、T触发器TFF_2、T触发器TFF_3、T触发器TFF_4的输出端Q变为高电平；复位电路的输出端S所输出的触发信号TRIGGER变为高电平，启动后续的时间-数字转换电路进行工作；树型判断电路根据所选择的工作模式输出相应的判定信号OK；当选择工作模式一时，在检测时间内四路雪崩脉冲输入信号只要有一路信号响应，判定信号OK输出为高电平，判定后续的时间数字-转换电路的转换结果有效；当选择工作模式二时，在检测时间内至少有两路雪崩脉冲输入信号响应时，则判定信号OK才输出为高电平，判定后续的时间数字-转换电路的转换结果有效；当选择工作模式三时，在检测时间内有至少三路雪崩脉冲输入信号响应时，判定信号OK输出才为高电平，判定后续的时间数字-转换电路的转换结果有效；当选择工作模式四时，在检测时间内四路雪崩脉冲输入信号都响应时，判定信号OK才输出为高电平，判定后续的时间数字-转换电路的转换结果有效；以此实现同步检测、抑制噪声的功能；
(3)、复位阶段：当一次触发、检测工作完成时，复位电路通过NMOS管MN2构成的MOS电容的充放电过程在复位电路的输出端N产生局部复位信号Reset，同时对T触发器TFF_1、T触发器TFF_2、T触发器TFF_3、T触发器TFF_4进行复位。
实施例
本发明基于标准0.18μm的CMOS工艺对上述的光子同步检测电路进行了仿真，仿真参数具体如下：参考电压信号S1取1.8V而SO取0V，即检测到至少3个的雪崩脉冲输入信号时，树型判断电路所输出的判定信号OK为高电平，判定该次响应为激光光子的触发，后续时间-数字转换电路工作有效；否则判定该次响应为环境光子噪声触发，后续时间-数字转换电路工作无效。雪崩脉冲输入信号设置为脉宽取2ns的连续一段的方波；电源电压VDD设置为1.8V。基于以上仿真参数，本发明进行了时长100ns的仿真，总共检测了4次，并得到如图5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。
检测之前，全局复位信号R设置时间为1ns的高电平对整个电路进行复位，复位结束后，复位电路输出的触发信号TRIGGER为低电平；树型判断电路输出的判定信号OK为低电平；局部复位信号Reset为低电平。
第一次检测时，总共响应了4个雪崩脉冲输入信号，此时雪崩脉冲输入信号A1、雪崩脉冲输入信号A2、雪崩脉冲输入信号A3、雪崩脉冲输入信号A4均为高电平；触发信号TRIGGER由低电平变为高电平，启动后续时间-数字转换电路进行工作；树型判断电路同步检测后，判定信号OK由低电平变为高电平，判定该次响应为激光光子的触发，时间-数字转换电路的工作有效；局部复位信号Reset由低电平变为高电平，实现第一次检测完成后的复位。
第二次检测时，总共响应了1个雪崩脉冲输入信号，此时雪崩脉冲输入信号A1为高电平、雪崩脉冲输入信号A2、雪崩脉冲输入信号A3、雪崩脉冲输入信号A4为低电平；触发信号TRIGGER由低电平变为高电平，启动后续时间-数字转换电路进行工作；树型判断电路同步检测后，判定信号OK仍为低电平，判定该次响应为环境光子噪声的触发，时间-数字转换电路的工作无效；局部复位信号Reset由低电平变为高电平，实现第二次检测完成后的复位。
第三次检测时，总共响应了2个雪崩脉冲输入信号，此时雪崩脉冲输入信号A1、雪崩脉冲输入信号A3为高电平，雪崩脉冲输入信号A2、雪崩脉冲输入信号A4为低电平；触发信号TRIGGER由低电平变为高电平，启动后续时间-数字转换电路进行工作；树型判断电路同步检测后，判定信号OK仍为低电平,判定该次响应为环境光子噪声的触发，时间-数字转换电路的工作无效；局部复位信号Reset由低电平变为高电平，实现第三次检测完成后的复位。
第四次检测时，总共响应了3个雪崩脉冲输入信号，此时雪崩脉冲输入信号A1、雪崩脉冲输入信号A2、雪崩脉冲输入信号A4为高电平，雪崩脉冲输入信号A3为低电平；触发信号TRIGGER由低电平变为高电平，启动后续时间-数字转换电路进行工作；树型判断电路同步检测后，判定信号OK由低电平变为高电平，判定该次响应为激光光子的触发，时间-数字转换电路的工作有效；局部复位信号Reset由低电平变为高电平，实现第四次检测完成后的复位。
应当进一步指出，本发明所提出的光子同步检测电路设计方案不仅局限于由4个雪崩二极管构成一个像素单元的探测器，还能适用于更大规模像素单元的探测器。当一个像素单元中的雪崩二极管数量扩展为8个、16个甚至更多时，可以通过增加树型判断电路的逻辑门电路网络中逻辑门的数量和简单地改变连接方式来实现光子同步检测的功能。
本发明提出的光子同步检测电路结构新颖，主要模块采用数字电路实现，同步检测的结果准确性高，电路具有极高的可靠性；电路实现简单，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，具有极高的可制造性。
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 (2)
1.一种应用于单光子飞行时间测距系统的光子同步检测电路，其特征在于：所述的光子同步检测电路包括T触发器TFF_1、T触发器TFF_2、T触发器TFF_3、T触发器TFF_4、树型判断电路及复位电路；
所述T触发器TFF_1的时钟输入端Clk1和复位电路的输入端W1分别连接在单光子雪崩二极管产生的雪崩脉冲输入信号A1上，
所述T触发器TFF_2的时钟输入端Clk2和复位电路的输入端W2分别连接在单光子雪崩二极管产生的雪崩脉冲输入信号A2上，
所述T触发器TFF_3的时钟输入端Clk3和复位电路的输入端W3分别连接在单光子雪崩二极管产生的雪崩脉冲输入信号A3上，
所述T触发器TFF_1的时钟输入端Clk4和复位电路的输入端W4分别连接在单光子雪崩二极管产生的雪崩脉冲输入信号A4上；
所述T触发器TFF_1的触发输入端T1连接在电源电压VDD上，其输出端Q1连接在树型判断电路的输入端A上；
所述T触发器TFF_2的触发输入端T2连接在电源电压VDD上，其输出端Q2连接在树型判断电路的输入端B上；
所述T触发器TFF_3的触发输入端T3连接在电源电压VDD上，其输出端Q3连接在树型判断电路的输入端C上；
所述T触发器TFF_4的触发输入端T4连接在电源电压VDD上，其输出端Q4连接在树型判断电路的输入端D上；
所述树型判断电路的两个输入端S1、S0分别外接工作模式选择信号S1、S0，实现四种工作模式；
所述复位电路的输出端S输出的触发信号TRIGGER连接在后续的时间-数字转换电路上，用来触发时间-数字转换电路开始工作；
所述树型判断电路的输出端OUT输出的判定信号OK连接在后续的时间-数字转换电路，用来判定光子同步检测电路的雪崩脉冲输入信号是否为有效的激光光子触发，当判定信号OK为高电平时；则后续的时间数字-转换电路的转换结果有效，当判定信号OK为低电平时；则后续的时间数字-转换电路的转换结果无效；
所述复位电路的输出端N输出局部复位信号Reset，它同时连接T触发器TFF_1、T触发器TFF_2、T触发器TFF_3、T触发器TFF_4的重置端；
所述复位电路的输入端R连接外部的全局复位信号R；
所述树型判断电路包括四选一数据选择器MUX、四输入或门OR4_1、四输入或门OR4_2、四输入与门AND4_1、三输入或门OR3_1、三输入与门AND3_1、三输入与门AND3_2、三输入与门AND3_3、三输入与门AND3_4、二输入或门OR2_1、二输入或门OR2_2、二输入与门AND2_1、二输入与门AND2_2、二输入与门AND2_3，
其中：所述树型判断电路的输入端A分别连接四输入或门OR4_1的第一个输入端、二输入与门AND2_1的一个输入端、二输入或门OR2_1的一个输入端、三输入与门AND3_1的第一个输入端、三输入与门AND3_2的第一个输入端、三输入与门AND3_3的第一个输入端和四输入与门AND4_1的第一个输入端；
所述树型判断电路的输入端B分别连接四输入或门OR4_1的第二个输入端、二输入与门AND2_1的另一个输入端、二输入或门OR2_1的另一个输入端、三输入与门AND3_1的第二个输入端、三输入与门AND3_2的第二个输入端、三输入与门AND3_4的第一个输入端和四输入与门AND4_1的第二个输入端；
所述树型判断电路的输入端C分别连接四输入或门OR4_1的第三个输入端、二输入或门OR2_2的一个输入端、二输入与门AND2_2的一个输入端、三输入与门AND3_1的第三个输入端、三输入与门AND3_3的第二个输入端、三输入与门AND3_4的第二个输入端和四输入与门AND4_1的第三个输入端；
所述树型判断电路的输入端D分别连接四输入或门OR4_1的第四个输入端、二输入或门OR2_2的另一个输入端、二输入与门AND2_2的另一个输入端、三输入与门AND3_2的第三个输入端、三输入与门AND3_3的第三个输入端、三输入与门AND3_4的第三个输入端和四输入与门AND4_1的第四个输入端；
所述树型判断电路的二输入或门OR2_1的输出端连接二输入与门AND2_3的一个输入端，二输入或门OR2_2的输出端连接二输入与门AND2_3的另一个输入端；二输入与门AND2_1、二输入与门AND2_2和二输入与门AND2_3的输出端分别连接三输入或门OR3_1的三个输入端；三输入与门AND3_1、三输入与门AND3_2、三输入与门AND3_3和三输入与门AND3_4的输出端分别连接四输入或门OR4_2的四个输入端；四输入或门OR4_1、三输入或门OR3_1、四输入或门OR4_2和四输入与门AND4_1的输出端分别连接四选一数据选择器MUX的四个数据输入端C1、C2、C3和C4；
树型判断电路的四选一数据选择器MUX的控制输入端S1和S0分别外接工作模式选择信号S1和S0，数据选择器MUX的输出端OUT输出判定信号OK；
所述复位电路包括二输入或门OR_1、二输入或门OR_2、二输入或门OR_3、二输入或门OR_4、二输入或非门NOR_1、二输入或非门NOR_2、二输入或非门NOR_3、PMOS管MP1、NMOS管MN1和NMOS管MN2，
其中，复位电路的输入端W1和输入端W2分别连接二输入或门OR_1的两个输入端，输入端W3和输入端W4分别连接二输入或门OR_2的两个输入端，二输入或门OR_1和二输入或门OR_2的输出端分别连接二输入或门OR_3的两个输入端，二输入或门OR_3的输出端连接二输入或非门NOR_2的一个输入端；
二输入或非门NOR_2的另一个输入端同时连接二输入或非门NOR_1的输出端、PMOS管MP1的栅极和NMOS管MN1的栅极；二输入或非门NOR_2的输出端同时连接二输入或非门NOR_1的一个输入端和二输入或非门NOR_3的一个输入端；二输入或非门NOR_1的另一个输入端连接二输入或门OR_4的输出端；
PMOS管MP1的源极连接电源电压VDD，PMOS管MP1的漏极同时连接NMOS管MN1的漏极、NMOS管MN2的栅极和二输入或非门NOR_3的另一个输入端；NMOS管MN1的源极接地；NMOS管MN2的漏极同时连接其源极和地；
二输入或非门NOR_3的输出端连接二输入或门OR_4的一个输入端，复位电路的输入端R连接二输入或门OR_4的另一个输入端；二输入或非门NOR_1的输出端S输出触发信号TRIGGER；二输入或门OR_4的输出端N输出局部复位信号Reset。
2.如权利要求1所述的一种应用于单光子飞行时间测距系统的光子同步检测电路的制备方法，其特征在于，其所述电路的工作流程包括三个阶段，即准备阶段、启动/检测阶段及复位阶段：
(1)、准备阶段：首先在激光光子或环境光子噪声到来之前，全局复位信号R为高电平，T触发器TFF_1、T触发器TFF_2、T触发器TFF_3、T触发器TFF_4的输出端Q1、Q2、Q3、Q4均为低电平；树型判断电路和复位电路停止工作，输出的判定信号OK和触发信号TRIGGER均为低电平；当全局复位信号R由高电平变为低电平，完成了全局复位工作；然后设定好工作模式选择信号S1、S0的电平，S1、S0同时为低时为工作模式一；S1为低而S0为高时为工作模式二；S1为高而S0为低时为工作模式三；S1、S0同时为高时为工作模式四，选择好工作模式后准备检测操作；
(2)、启动/检测阶段：当光子或噪声到来时，即检测到雪崩脉冲输入信号A1、雪崩脉冲输入信号A2、雪崩脉冲输入信号A3、雪崩脉冲输入信号A4中存在高电平时，相应的T触发器TFF_1、T触发器TFF_2、T触发器TFF_3、T触发器TFF_4的输出端Q变为高电平；复位电路的输出端S所输出的触发信号TRIGGER变为高电平，启动后续的时间-数字转换电路进行工作；树型判断电路根据所选择的工作模式输出相应的判定信号OK；当选择工作模式一时，在检测时间内四路雪崩脉冲输入信号只要有一路信号响应，则判定信号OK输出为高电平，判定后续的时间数字-转换电路的转换结果有效；当选择工作模式二时，在检测时间内至少有两路雪崩脉冲输入信号响应时，判定信号OK才输出为高电平，判定后续的时间数字-转换电路的转换结果有效；当选择工作模式三时，在检测时间内有至少三路雪崩脉冲输入信号响应时，判定信号OK输出才为高电平，判定后续的时间数字-转换电路的转换结果有效；当选择工作模式四时，在检测时间内四路雪崩脉冲输入信号都响应时，判定信号OK才输出为高电平，判定后续的时间数字-转换电路的转换结果有效；以此实现同步检测、抑制噪声的功能；
(3)、复位阶段：当一次触发、检测工作完成时，复位电路通过NMOS管MN2构成的MOS电容的充放电过程在复位电路的输出端N产生局部复位信号Reset，同时对T触发器TFF_1、T触发器TFF_2、T触发器TFF_3、T触发器TFF_4进行复位。
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