CN111007524B - 一种应用于tof技术的多spad门控模拟计数电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于TOF技术的多SPAD门控模拟计数电路，包括A×B个多SPAD的门控模拟计数子电路，A、B均为正整数，其中，所述多SPAD的门控模拟计数子电路包括：SPAD单元；门控单元，连接所述SPAD单元；模拟计数单元，连接所述门控单元；复位单元，连接所述门控单元和所述模拟计数单元；输出单元，连接所述模拟计数单元。本发明公开的多SPAD门控模拟计数电路通过采用门控技术和模拟计数方式节省了芯片面积，提高了工作效率，抑制了背景光噪声的干扰，同时还能够满足大阵列化使用要求。

Description

一种应用于TOF技术的多SPAD门控模拟计数电路

技术领域

本发明属于光电探测技术领域，具体涉及一种应用于TOF技术的多SPAD门控模拟计数电路。

背景技术

随着光学测量以及计算机视觉的发展，光学三维测量技术逐渐成熟，光电信息探测和处理技术也取得了飞速发展，尤其是在智能驾驶、医疗以及消费类电子行业等领域，成为当前测量领域中的热点。TOF技术(Time-Of-Flight，飞行时间)是光学测量技术中较为突出的一种，其基本原理指传感器发出经调制的近红外光，遇物体后反射，传感器通过计算发射、接收光波的时间差或相位差，换算成被拍摄景物的距离，以获取深度信息，此外再结合传统的相机拍摄，就能将物体的三维轮廓以不同颜色代表不同距离的地形图方式呈现出来。

SPAD(Single Photon Avalanche Diode，单光子雪崩二极管)由于其具有内部增益大、功耗低、高灵敏度以及对于电磁噪声的不敏感等特点在TOF技术中得以广泛应用，SPAD探测器已成为单光子雪崩二极管的发展趋势，而计数读出电路是SPAD探测器中不可缺少的一部分，直接影响到最终的探测质量。

目前，现有的SPAD探测器通常为了保证一定的信噪比，重复扫描次数过多，同时由于采用传统的数字信号读出方式，需要多个高速计数器和锁存器等，电路复杂，芯片面积过大，整个电路集成度不高，导致工作效率不高，且易受背景光噪声的干扰。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种应用于TOF技术的多SPAD门控模拟计数电路。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

一种应用于TOF技术的多SPAD门控模拟计数电路，包括A×B个多SPAD的门控模拟计数子电路，A、B均为正整数，其中，所述多SPAD的门控模拟计数子电路包括：

SPAD单元，用于检测光子并将光信号转换为第一电信号；

门控单元，连接所述SPAD单元，用于对所述SPAD单元进行置位并控制对所述第一电信号的采集，得到第二电信号；

模拟计数单元，连接所述门控单元，用于对所述第二电信号进行采样并模拟计数得到第三电信号；

复位单元，连接所述门控单元和所述模拟计数单元，用于通过所述门控单元对所述SPAD单元进行复位，并对所述模拟计数单元进行复位；

输出单元，连接所述模拟计数单元，用于对所述第三电信号进行优化选择后输出。

在本发明的一个实施例中，所述SPAD单元包括N个单光子雪崩二极管SPAD1～SPADN，其中，所述单光子雪崩二极管SPADi的阳极均连接电平Vsub，阴极连接所述门控单元，其中，1≤i≤N。

在本发明的一个实施例中，所述SPAD单元还包括N个淬灭电容CS1～CSN，其中，所述电容CSi的一端接地，另一端分别连接所述单光子雪崩二极管SPADi的阴极。

在本发明的一个实施例中，所述门控单元包括N个MOSFET晶体管M11～M1N以及N个储能电容C1～CN；其中，

所述晶体管M1i的源极分别连接所述单光子雪崩二极管SPADi的阴极，所述晶体管M1i的栅极分别接入控制信号TRi，所述晶体管M1i的漏极连接所述模拟计数单元和所述复位单元；

所述电容Ci的一端接地，另一端分别连接所述晶体管M1i的漏极。

在本发明的一个实施例中，所述模拟计数单元包括N个晶体管M21～M2N以及电容CC；其中，

所述晶体管M2i的源极分别连接所述晶体管M1i的漏极和所述电容Ci的公共端，所述晶体管M2i的栅极分别接入控制信号CTi，所述晶体管M2i的漏极均连接所述电容CC的一端，所述电容CC的另一端接地；

所述电容CC和所述晶体管M2i的漏极公共端连接所述复位单元和所述输出单元。

在本发明的一个实施例中，所述复位单元包括第一复位子单元和第二复位子单元；其中，所述第一复位子单元连接所述门控单元，所述第二复位子单元连接所述模拟计数单元。

在本发明的一个实施例中，所述第一复位子单元包括晶体管M3，所述晶体管M3的源极连接所述晶体管M1i的漏极和所述电容Ci的公共端，所述晶体管M3的栅极接入控制信号RE，所述晶体管M3的漏极连接电源VDD；

所述第二复位子单元包括晶体管M4，所述晶体管M4的源极连接所述电容CC和所述晶体管M2i的漏极公共端，所述晶体管M4的栅极接入控制信号RE，所述晶体管M4的漏极连接电源VDD。

在本发明的一个实施例中，所述输出单元包括晶体管M5和晶体管M6；其中，

所述晶体管M5的栅极连接所述电容CC和所述晶体管M2i的漏极公共端，所述晶体管M5的漏极连接电源VDD，所述晶体管M5的源极连接所述晶体管M6的漏极；

所述晶体管M6的栅极连接选择信号SEL，所述晶体管M6的源极作为输出端输出电压V_LINE。

本发明的有益效果：

1、本发明提供的多SPAD门控模拟计数电路通过门控技术使得电路无需处理时间信息，即无需额外的时间数字转换器(Time to Digital Converter)，节省客观的芯片面积，同时门控技术能够较好地抑制背景光噪声干扰，这扩展了电路的使用范围；

2、本发明提供的多SPAD门控模拟计数电路通过多SPAD与门控技术的结合，避免了整体实验重复多次，大幅度缩短了扫描时间，提高了工作效率；

3、本发明提供的多SPAD门控模拟计数电路采用模拟计数方式，拥有极好的集成度，与多SPAD结合保证了电路的填充系数，可实现大阵列化。

以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种应用于TOF技术的多SPAD门控模拟计数电路结构示意图；

图2是本发明实施例提供的多SPAD门控模拟计数子电路结构示意图；

图3是本发明实施例提供的雪崩光电二极管的电压-电流特性曲线图；

图4是本发明实施例提供的多SPAD门控模拟计数子电路的详细电路结构图；

图5是本发明实施例提供的门控电路实现方式示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例一

请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种应用于TOF技术的多SPAD门控模拟计数电路结构示意图，其包括A×B个多SPAD的门控模拟计数子电路，用户可根据需要合理选择A、B的个数，A、B均为正整数。

在本实施例中，由于每个多SPAD门控模拟计数子电路采用了门控技术和模拟计数方式，使其具有很好的集成度，能够满足大阵列的使用要求。

请参见图2，图2是本发明实施例提供的多SPAD门控模拟计数子电路结构示意图，包括：

SPAD单元1，用于检测光子并将光信号转换为第一电信号；

门控单元2，连接所述SPAD单元1，用于对所述SPAD单元1进行置位并控制对所述第一电信号的采集，得到第二电信号；

模拟计数单元3，连接所述门控单元2，用于对所述第二电信号进行采样并模拟计数得到第三电信号；

复位单元4，连接所述门控单元2和所述模拟计数单元3，用于控制通过所述门控单元2对所述SPAD单元1进行复位，并对所述模拟计数单元3进行复位；

输出单元5，连接所述模拟计数单元3，用于对所述第三电信号进行优化选择后输出。

请参见图3，图3是本发明实施例提供的雪崩光电二极管的电压-电流特性曲线图，外加反偏电压的大小决定了雪崩光电二极管的工作模式。当反偏电压较低时(图3中0到V1区间内)，称器件工作于光电二极管模式，产生的反向电流和光照强度成正比；当反偏电压在雪崩击穿电压附近但小于击穿电压时(图3中小于等于V2)，器件吸收一个光子可以激发出有限个电子空穴对，器件工作在线性模式，对光生载流子具有线性放大的作用，具有有限增益；当反偏电压大于雪崩击穿电压时(图3中大于V2)，器件工作在盖革模式(Geigermode)，在该模式下单个光子就可以促使APD发生雪崩而产生雪崩电流，理论上雪崩增益为无穷大，因此称盖革模式下的雪崩光电二极管为单光子雪崩二极管(SPAD)。

在本实施例中，为实现单光子的检测，SPAD需要工作于盖革(Geiger)模式，即器件两端的偏置电压差的绝对值要大于雪崩击穿电压。当SPAD的吸收区探测到一个光子的时候，器件内部的空间电荷区中的载流子发生强烈的碰撞电离，产生的大量载流子迅速触发雪崩以产生强电流，输出端检测到雪崩脉冲信号，从而完成对单光子的探测，增益一般高达10⁷左右。虽然盖革模式可以提供较高的信噪比，但是SPAD需要淬灭以及动态偏置电路，控制复杂且存在暗计数的问题。

基于此，本实施例采用门控技术进行光子信号的探测。门控技术是指将一个已知的目标距离区间划分为自定义大小的子距离区间，即该距离空间的深度图像信息是由这些子距离区间的深度图像信息结合而成。由于给定距离区间所以时间信息已知，不需要额外处理时间信息的模块，同时这种类似于“开窗口”的技术能够有效地降低背景光的干扰。由于，门控技术需要多次重复测试，而“开窗口”的技术受窗口脉宽限制，因此，本实施例采用SPAD阵列，即在一个子距离区间内对应N个SPAD，即让N个SPAD在对应“窗口内”同时扫描，可以显著减少实验的重复次数，可以有效地缩短扫描时间，提高效率，同时仍具有抑制背景光干扰的优点。

进一步的，在本实施例中运用了模拟计数和读出方式，仅用数个MOSFET就可以得到目标光子的位置、数目以及时间分布的信息，相比于常见的数字计数方式，具有较高的集成度。

请参见图4，图4是本发明实施例提供的多SPAD门控模拟计数子电路的详细电路结构图。

在本实施例中，所述SPAD单元1包括N个单光子雪崩二极管SPAD1～SPADN，其中，所述单光子雪崩二极管SPADi的阳极均连接电平Vsub，阴极连接所述门控单元2，其中，1≤i≤N。当SPAD检测区域检测到光子的时候，会引发倍增效应产生很大的反向电流，也即第一电信号，进而实现光信号到电信号的转换。

在本实施例中，所述SPAD单元1还包括N个淬灭电容CS1～CSN，其中，所述电容CSi的一端接地，另一端分别连接所述单光子雪崩二极管SPADi的阴极。

一般的，SPAD由于反偏电流特别大，所以需要搭配淬灭以使得SPAD脱离击穿状态，否则持续的击穿会烧坏器件。在本实施例中，SPAD的淬灭方式为无源淬灭，由于SPAD阴极连接电路，借助一个电容CS实现自动淬灭。当SPAD导通时反向电流从阴极流向阳极，这使得CS放电，SPAD的阴极电位随之降低，脱离击穿状态达到淬灭目的。

在本实施例中，所述门控单元2包括N个MOSFET晶体管M11～M1N以及N个储能电容C1～CN；其中，

所述晶体管M1i的源极分别连接所述单光子雪崩二极管SPADi的阴极，所述晶体管M1i的栅极分别接入控制信号TRi，所述晶体管M1i的漏极连接所述模拟计数单元3和所述复位单元4；

所述电容Ci的一端接地，另一端分别连接所述晶体管M1i的漏极。

在本实施例中，晶体管M11～M1N的开闭分别通过栅端TR1～TRN控制，这N个信号时序均相同。

在本实施例中，采用门控技术使得电路无需处理时间信息，即无需额外的时间数字转换器(Time to Digital Converter)，节省客观的芯片面积，同时门控技术能够较好地抑制背景光噪声干扰，这扩展了电路的使用范围，同时，通过多SPAD阵列与门控技术的结合，避免了整体实验重复多次，大幅度缩短了扫描时间，提高了工作效率。

在本实施例中，所述模拟计数单元3包括N个晶体管M21～M2N以及电容CC；其中，

所述晶体管M2i的源极分别连接所述晶体管M1i的漏极和所述电容Ci的公共端，所述晶体管M2i的栅极分别接入控制信号CTi，所述晶体管M2i的漏极均连接所述电容CC的一端，所述电容CC的另一端接地；

所述电容CC和所述晶体管M2i的漏极公共端连接所述复位单元4和所述输出单元5。

在本实施例中，模拟计数单元是在假定每个光子携带的能量是近似相等的前提下实现的。因为SPAD在被淬灭后整形输出的脉冲信号的脉宽稳定，波形规整。实现原理基于电容的充放电特性，即每次雪崩电压脉冲高电平到来时打开电容开关，在高电平持续时间之内即雪崩脉冲的脉冲宽度内，电容进行放电。每输入一个雪崩信号，电容进行一次放电，通过对电容上存储的电荷数目进行实时监控，计算光子的数目。上述存储电荷的电容CC为N个支路的共享电容，即每个SPAD接收到的光子数均表示为从CC里面量取相应电量放电。模拟计数读出方式拥有极好的集成度，相比数字信号读出方式，具有更好的集成度，可以减小芯片面积，且能够实现大阵列化。

在本实施例中，所述复位单元4包括第一复位子单元41和第二复位子单元42；其中，所述第一复位子单元41连接所述门控单元2，所述第二复位子单元42连接所述模拟计数单元3。

进一步的，所述第一复位子单元41包括晶体管M3，所述晶体管M3的源极连接所述晶体管M1i的漏极和所述电容Ci的公共端，所述晶体管M3的栅极接入控制信号RE，所述晶体管M3的漏极连接电源VDD；

在本实施例中，第一复位子单元41用于对门控电路和SPAD阵列进行复位，通过控制M1i的栅端信号TRi与M3的栅端信号RE的时序配合来实现“窗口”的定义与产生，M1i的漏端接到了M3的源端，M3的漏端接VDD，即完成对SPADi的复位。

所述第二复位子单元42包括晶体管M4，所述晶体管M4的源极连接所述电容CC和所述晶体管M2i的漏极公共端，所述晶体管M4的栅极接入控制信号RE，所述晶体管M4的漏极连接电源VDD。

在本实施例中，第二复位子单元42用于对模拟计数单元3中的电容CC进行复位，实现采样的M2i的源端，搭配总的共享电容CC实现模拟计数的功能。

在本实施例中，所述输出单元5包括晶体管M5和晶体管M6；其中，

所述晶体管M5的栅极连接所述电容CC和所述晶体管M2i的漏极公共端，所述晶体管M5的漏极连接电源VDD，所述晶体管M5的源极连接所述晶体管M6的漏极；

所述晶体管M6的栅极连接选择信号SEL，所述晶体管M6的源极作为输出端输出电压V_LINE。

在本实施例中，输出单元为一个源极跟随器，其能起到平衡阻抗、隔离以及选择读出的作用。通过源跟随器选择读出特定列或特定行的数据，再配合后续电路中的模数转换器(Analog to Digital Converter)进行量化，以便其余电路进行处理。

下面以SPAD1支路为例对本发明的电路及工作原理进行说明，其余SPADi均同SPAD1。

初始时，M11，M3的打开实现对SPAD1的偏置，使得SPAD1的阴极与阳极电压差大于器件的击穿电压从而工作于盖革模式。当器件光子探测区探测到光子到达后，一个较大的反向电流流过SPAD1，此时CS1放电，SPAD1阴极的电位降低，与阳极的电位差小于击穿电压，从而完成淬灭。

请参见图4，图4是本发明实施例提供的门控电路实现方式示意图；RE和TR1同时位高电平时，M11，M3同时导通，完成对SPAD1的置位，当RE为低电平同时TR1保持为高电平的阶段，为曝光模式的开始，即SPAD1开始探测光子，并产生电流，也即第一电信号。当TR1为低电平，即“窗口”结束，此时光子携带的信息已被采集暂存至节点FD1处的电容C1内，也即第二电信号，以供后续同CC中电荷的共享。而RE从高电平变为低电平且TR1保持高电平的这段时间，也就是“窗口”持续的时间。M4的漏端连接VDD，其作用主要是给共享电容CC预充电；M21的源端连接M11的漏端，其交点为FD1，该处电容暂存光子信息；M21控制信号的采样，也就是控制CC的放电过程。其主要依据的原理还是电容的充放电特性，即每输入一个雪崩信号，电容进行一次放电，通过对共享电容CC上存储的电荷数目进行实时监控，计算光子的数目，即第三电信号。

在本实施例中，SPADi支路具体的工作过程如下：首先是对SPADi的置位，即M3，M1i同时打开一段时间，使得FDi处的电位和SPADi阴极的电位一致且都为VDD，结合预设SPADi的阳极电位Vsub，使得SPADi处于盖革模式，即压差的绝对值大于SPADi的击穿电压；由于M4也是受栅压信号RE调控，但是由于M2i没有打开，所以在SPADi置位的同时也对电容CC进行了预充电；其次，由于M1i、M3不能打开的时间太长，因为长时间的复位会对SPAD器件产生影响，当RE处于低电平且TRi仍保持高电平的时候，M3、M4以及M2i关闭，M1i保持开启，电路处于曝光模式阶段；在这个阶段内，若SPADi的吸收区探测到光子，随之引发雪崩倍增，产生从阴极流向阳极的反向电流，CSi放电，SPADi的阴极电位降低一定值，使器件脱离雪崩模式达到淬灭状态，该过程结束后产生一个光子代表的电压信号，暂存在FDi节点处的寄生电容内；接下来，在一定预设的时间后，CTi置位使得M2i开启一段时间，随后电容CC会与FDi处的电容实现共享，表现为CC的电压值会下降一定的值，而该值即定量表示一个光子；第二个光子被检测到后，会在上一次掉电后的电位基础上紧接着下降大致相等的电平值；这样如此往复，每检测到一个光子，SPADi淬灭，电压信息暂存到FDi内，等待M2i的开启进而实现对采样光子的计数。这N个SPADi支路，通过公用一个存储电容CC将其连接起来，在每个支路的公共端连接一个源跟随器，同时，源极跟随器中晶体管M6受栅端信号SEL控制，作为选择信号，对接外围电路。

本发明通过采用多个SPAD在一个门控“窗口”内扫描的方式，相当于直接在一个小时间段内重复了多次，效果可达预期目标，同时无需重复实验多次，大幅度的缩短了扫描时间，效率提升了N倍，同时采用模拟计数的方式，其借用电容原理仅用了2个管子就实现了计数功能，即使N值很大，也会保证具有不错的填充系数(fill factor)，节省了可观的芯片面积。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种应用于TOF技术的多SPAD门控模拟计数电路，其特征在于，包括A×B个多SPAD的门控模拟计数子电路，A、B均为正整数，其中，所述多SPAD的门控模拟计数子电路包括：

SPAD单元(1)，用于检测光子并将光信号转换为第一电信号；

门控单元(2)，连接所述SPAD单元(1)，用于对所述SPAD单元(1)进行置位并控制对所述第一电信号的采集，得到第二电信号；

模拟计数单元(3)，连接所述门控单元(2)，用于对所述第二电信号进行采样并模拟计数得到第三电信号；

复位单元(4)，连接所述门控单元(2)和所述模拟计数单元(3)，用于控制通过所述门控单元(2)对所述SPAD单元(1)进行复位，并对所述模拟计数单元(3)进行复位；

输出单元(5)，连接所述模拟计数单元(3)，用于对所述第三电信号进行优化选择后输出。

2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述SPAD单元(1)包括N个单光子雪崩二极管SPAD1～SPADN，其中，所述单光子雪崩二极管SPADi的阳极均连接电平Vsub，阴极连接所述门控单元(2)，其中，1≤i≤N。

3.根据权利要求2所述的电路，其特征在于，所述SPAD单元(1)还包括N个淬灭电容CS1～CSN，其中，所述电容CSi的一端接地，另一端分别连接所述单光子雪崩二极管SPADi的阴极。

4.根据权利要求3所述的电路，其特征在于，所述门控单元(2)包括N个MOSFET晶体管M11～M1N以及N个储能电容C1～CN；其中，

所述晶体管M1i的源极分别连接所述单光子雪崩二极管SPADi的阴极，所述晶体管M1i的栅极分别接入控制信号TRi，所述晶体管M1i的漏极连接所述模拟计数单元(3)和所述复位单元(4)；

所述电容Ci的一端接地，另一端分别连接所述晶体管M1i的漏极。

5.根据权利要求4所述的电路，其特征在于，所述模拟计数单元(3)包括N个晶体管M21～M2N以及电容CC；其中，

所述晶体管M2i的源极分别连接所述晶体管M1i的漏极和所述电容Ci的公共端，所述晶体管M2i的栅极分别接入控制信号CTi，所述晶体管M2i的漏极均连接所述电容CC的一端，所述电容CC的另一端接地；

所述电容CC和所述晶体管M2i的漏极公共端连接所述复位单元(4)和所述输出单元(5)。

6.根据权利要求5所述的电路，其特征在于，所述复位单元(4)包括第一复位子单元(41)和第二复位子单元(42)；其中，所述第一复位子单元(41)连接所述门控单元(2)，所述第二复位子单元(42)连接所述模拟计数单元(3)。

7.根据权利要求6所述的电路，其特征在于，所述第一复位子单元(41)包括晶体管M3，所述晶体管M3的源极连接所述晶体管M1i的漏极和所述电容Ci的公共端，所述晶体管M3的栅极接入控制信号RE，所述晶体管M3的漏极连接电源VDD；

所述第二复位子单元(42)包括晶体管M4，所述晶体管M4的源极连接所述电容CC和所述晶体管M2i的漏极公共端，所述晶体管M4的栅极接入控制信号RE，所述晶体管M4的漏极连接电源VDD。

8.根据权利要求5所述的电路，其特征在于，所述输出单元(5)包括晶体管M5和晶体管M6；其中，

所述晶体管M5的栅极连接所述电容CC和所述晶体管M2i的漏极公共端，所述晶体管M5的漏极连接电源VDD，所述晶体管M5的源极连接所述晶体管M6的漏极；

所述晶体管M6的栅极连接选择信号SEL，所述晶体管M6的源极作为输出端输出电压V_LINE。

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