CN112540363B - 一种用于激光雷达的硅光电倍增管读出电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的一种用于激光雷达的硅光电倍增管读出电路，有源淬灭有源复位单元中的光电二极管SPAD在接收到光子后，通过正反馈进行有源淬灭所述SPAD，并有源复位所述SPAD，所述全差分电流输出单元用于将有源淬灭有源复位单元输出的负向电压脉冲进行脉冲压缩，并输出与压缩后的负向电压脉冲宽度相同的差分电流脉冲至后级电路。因此本发明的读出电路可以降低SPAD的死区时间，减少噪声和毛刺干扰，降低后续时刻鉴别电路的误触发概率，使得时刻鉴别结果准确度更高。

Description

一种用于激光雷达的硅光电倍增管读出电路
技术领域
本发明属于激光雷达光信号接收机系统技术领域，具体涉及一种用于激光雷达的硅光电倍增管读出电路。
背景技术
与传统的CMOS图像传感器相比，激光雷达利用激光照射目标，通过间接飞行时间(iToF，ITOF-Indirect TOF)或直接飞行时间(dToF，DTOF-Direct TOF)技术测量距离，可以实现大量的智能应用，如手势和面部识别、增强现实和虚拟现实(AR/VR，AugmentedReality/Virtual Reality)、自动驾驶等。
基于dToF的激光雷达直接利用时数转换器(TDC，Time-to-Digital Converter)或模数转换器(ADC，Analog-to-digital converter)确定光信号的移动时间。通过dToF技术可以在探测范围和精度以及较低的平均照明功率之间实现更好的权衡。在dToF激光雷达中使用的光电探测器通常可以线性模式雪崩光电二极管(APD)或者硅光电倍增器(SiPM)构建而成。
硅光电倍增管(SiPM)一般由多个并联工作的盖革模式单光子雪崩光电二极管(SPAD)以及读出电路组成，单光子雪崩光电二极管(SPAD)将光信号转换为电信号，读出电路将电信号读出传出给后级电路。现有的硅光电倍增管(SiPM)如图1所示，在图1中，左侧框内为淬灭电路，右侧框内为读出电路，读出电路将每个SPAD的输出转变为相同电流大小的电流脉冲信号，现有技术中淬灭电路为无源淬灭，该淬灭电路中无源淬灭和复位的工作方式会增加SPAD的死区时间，同时读出电路的开关控制的单端输出的电流源电路会受到电荷注入等非理想效应的影响，引入噪声和毛刺干扰，影响后续电路的时刻鉴别结果，使得时刻鉴别结果产生误差，影响准确度。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种用于激光雷达的硅光电倍增管读出电路。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
本发明提供的一种用于激光雷达的硅光电倍增管读出电路包括：有源淬灭有源复位单元(100)以及脉冲压缩和全差分电流输出单元(200)，所述有源淬灭有源复位单元(100)的输出连接所述脉冲压缩和全差分电流输出单元(200)的输入，所述有源淬灭有源复位单元(100)中的光电二极管SPAD在接收到光子后，通过正反馈进行有源淬灭所述SPAD，并有源复位所述SPAD，所述全差分电流输出单元(200)用于将有源淬灭有源复位单元(100)输出的负向电压脉冲进行脉冲压缩，并输出与压缩后的负向电压脉冲宽度相同的差分电流脉冲至后级电路。
可选的，所述有源淬灭有源复位单元(100)包括：有源淬灭电路以及有源复位电路，所述有源淬灭电路，用于接收到光子后，通过正反馈进行有源淬灭所述SPAD，使得SPAD两端的电压值的差值小于反向击穿电压；所述有源复位电路，用于有源复位所述SPAD。
可选的，所述有源淬灭电路包括：SPAD、PMOS管M1，NMOS管M2、M3、M4以及第一反相器，所述有源复位电路包括：PMOS管M5、M6、M9，NMOS管M7、M8、M10、M11以及第二反相器，所述SPAD的正端与所述M1的漏极相连，所述SPAD的负端接入电压VBD与VEX之和，有源淬灭有源复位单元(100)输入高压信号通过SPAD转化为电流信号与NMOS管M1漏极相连，NMOS管M1的源极与NMOS管M2的漏极、NMOS管M3的漏极、PMOS管M4的漏极以及第一反相器的输入端相连，NMOS管M2的源极接地电位，NMOS管M3的源极接地电位，PMOS管M4的源极接电源电位，第一反相器的输出端与PMOS管M4的栅端、PMOS管M6的栅端和NMOS管M7的栅端相连，PMOS管M6的源极与PMOS管M5的漏极和M5的栅极相连，NMOS管M7的源极与NMOS管M8的漏极和M8的栅极相连，PMOS管M5的源极接电源电位，NMOS管M8的源极接地电位，PMOS管M6的漏极、NMOS管M7的漏极、PMOS管M9的栅极和NMOS管M10的栅极相连，NMOS管M10的源极与NMOS管M11的漏极相连，PMOS管M9的源极接电源电位，NMOS管M11的源极接地电位，PMOS管M9的漏极、NMOS管M10的漏极与第二反相器的输入端相连，第二反相器的输出端与NMOS管M2的栅极相连，NMOS管M1的栅极接入第一电压值，NMOS管M3的栅极和NMOS管M11的栅极连接VBN端。
可选的，所述脉冲压缩和全差分电流输出单元(200)包括脉冲压缩电路以及全差分电流输出电路，所述脉冲压缩电路，用于将有源淬灭有源复位单元(100)输出的负向电压脉冲进行脉冲压缩，输出压缩后的负向电压脉冲至全差分电流输出电路，所述全差分电流输出电路(200)通过控制相应的开关MOS管，输出与压缩后的负向电压脉冲宽度相同的差分电流脉冲至后级电路。
可选的，所述脉冲压缩电路包括：PMOS管M12、M13、NMOS管M14、缓冲器、与或门以及第三反相器，所述全差分电流输出电路包括：NMOS管M15、M16、M17、第一电流源以及第二电流源，所述有源淬灭有源复位单元(100)输出的负向电压脉冲输入NMOS管M14的栅极以及与或门的第一输入端相连，NMOS管M14的源极连接地电位，NMOS管M14的漏极分别与缓冲器输入端以及PMOS管M13的漏极相连，缓冲器的输出端连接与或门的第二输入端，PMOS管M13的源极与PMOS管M12的漏极相连，PMOS管M12的源极连接电源电位，PMOS管M12的栅极连接VBP端，PMOS管M13的栅极分别与与或门的输出端、第三反相器的输入端以及NMOS管M15的栅极相连接入输入电压V1，第三反相器的输出端分别与NMOS管M16的栅极和NMOS管M17的栅极相连，NMOS管M15的源极分别与NMOS管M17的源极以及第二电流源流入端相连，第二电流源的流出端接入地电位，NMOS管M15的漏极分别与NMOS管M16的源极以及第一电流源的流出端相连，第一电流源的流入端接入电源点位，NMOS管M16的漏极输出IOP，NMOS管M17的漏极输入ION。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明一种用于激光雷达的硅光电倍增管读出电路，采用有源淬灭和有源复位，能够显著缩短像素的死区时间。
2、脉冲压缩电路和全差分电流输出电路的全差分的方式实现与后级的跨阻放大器电路级联，有效消除共模干扰。
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为现有的硅光电倍增管的结构图；
图2为本发明实施例提供的一种用于激光雷达的硅光电倍增管读出电路的结构图；
图3为本发明实施例提供的有源淬灭有源复位电路结构示意图；
图4为本发明实施例提供的脉冲压缩电路和全差分电流输出电路的结构示意图。
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
如图2所示，本发明提供的一种用于激光雷达的硅光电倍增管读出电路包括：有源淬灭有源复位单元100以及脉冲压缩和全差分电流输出单元200，所述有源淬灭有源复位单元100的输出连接所述脉冲压缩和全差分电流输出单元200的输入，所述有源淬灭有源复位单元100中的光电二极管SPAD在接收到光子后，通过正反馈进行有源淬灭所述SPAD，使得SPAD两端的电压值的差值小于集成电压，并有源复位所述SPAD，所述全差分电流输出单元200用于将有源淬灭有源复位单元100输出的负向电压脉冲进行脉冲压缩，并输出与压缩后的负向电压脉冲宽度相同的差分电流脉冲至后级电路。
对于有源淬灭有源复位电路100，在淬灭晶体管之上增加堆叠的NMOSM1，从而提高SPAD的反向偏置电压，无需使用厚氧化层的晶体管，能够有效减小版图面积，并为SPAD的暗电流提供了一个高阻抗的漏电路径，进行有源淬灭，通过正反馈，将节点A充电至电源电压。通过改变M5-M11的尺寸和VBN电压的大小，调节SPAD死区时间，以降低后脉冲概率，不包含无源电容，因此占用面积较小。
脉冲压缩电路将有源淬灭有源复位电路的输出脉冲宽度进行压缩，达到后续处理所能接受的范围；全差分电流输出电路的输入与脉冲压缩电路的输出相连，将电压脉冲信号转换为差分电流脉冲输出，因此能够实现与后端差分跨阻放大器的直接级联。
本发明提供的一种用于激光雷达的硅光电倍增管读出电路，有源淬灭有源复位单元中的光电二极管SPAD在接收到光子后，通过正反馈进行有源淬灭所述SPAD，使得SPAD两端的电压值的差值小于集成电压，并有源复位所述SPAD，所述全差分电流输出单元200用于将有源淬灭有源复位单元100输出的负向电压脉冲进行脉冲压缩，并输出与压缩后的负向电压脉冲宽度相同的差分电流脉冲至后级电路。因此本发明的读出电路可以降低SPAD的死区时间，减少噪声和毛刺干扰，提高后续电路的时刻鉴别结果，使得时刻鉴别结果准确度更高。
实施例二
作为本发明可选的一种实施例，所述有源淬灭有源复位单元100包括：有源淬灭电路以及有源复位电路，所述有源淬灭电路，用于接收到光子后，通过正反馈进行有源淬灭所述SPAD，使得SPAD两端的电压值的差值小于反向击穿电压；所述有源复位电路，用于有源复位所述SPAD。
实施例三
作为本发明可选的一种实施例，如图3所示，所述有源淬灭电路包括：SPAD、PMOS管M1，NMOS管M2、M3、M4以及第一反相器，所述有源复位电路包括：PMOS管M5、M6、M9，NMOS管M7、M8、M10、M11以及第二反相器，所述SPAD的正端与所述M1的漏极相连，所述SPAD的负端接入电压VBD与VEX之和，有源淬灭有源复位单元100输入高压信号通过SPAD转化为电流信号与NMOS管M1漏极相连，NMOS管M1的源极与NMOS管M2的漏极、NMOS管M3的漏极、PMOS管M4的漏极以及第一反相器的输入端相连，NMOS管M2的源极接地电位，NMOS管M3的源极接地电位，PMOS管M4的源极接电源电位，第一反相器的输出端与PMOS管M4的栅端、PMOS管M6的栅端和NMOS管M7的栅端相连，PMOS管M6的源极与PMOS管M5的漏极和M5的栅极相连，NMOS管M7的源极与NMOS管M8的漏极和M8的栅极相连，PMOS管M5的源极接电源电位，NMOS管M8的源极接地电位，PMOS管M6的漏极、NMOS管M7的漏极、PMOS管M9的栅极和NMOS管M10的栅极相连，NMOS管M10的源极与NMOS管M11的漏极相连，PMOS管M9的源极接电源电位，NMOS管M11的源极接地电位，PMOS管M9的漏极、NMOS管M10的漏极与第二反相器的输入端相连，第二反相器的输出端与NMOS管M2的栅极相连，NMOS管M1的栅极接入第一电压值，NMOS管M3的栅极和NMOS管M11的栅极连接VBN端。
其中，第一电压值根据实际需求设置，可以但是不限于取1.8。
所述有源淬灭有源复位单元(100)中的SPAD偏置在雪崩区域，在探测到光子的时候发生雪崩击穿，产生雪崩光电流信号，光电流在A节点累积，导致A点产生正向电压阶跃。所述M4晶体管与反相器组成正反馈回路，在A点电压升高之后形成正反馈，加速A节点的充电过程，从而实现SPAD的有源快速淬灭。M5-M11晶体管与反相器在VBN信号的作用下调节信号的延迟时间，从而控制M2晶体管实现SPAD的有源复位。
本发明的有源淬灭电路，在淬灭晶体管之上增加堆叠的NMOSM1，从而提高SPAD的反向偏置电压，无需使用厚氧化层的晶体管，能够有效减小版图面积；M3为SPAD的暗电流提供了一个高阻抗的漏电路径；M4用于进行有源淬灭，通过正反馈，将节点A充电至电源电压。通过改变M5-M11的尺寸和VBN电压的大小，调节SPAD死区时间，以降低后脉冲概率，不包含无源电容，因此占用面积较小。
实施例四
作为本发明可选的一种实施例，所述脉冲压缩和全差分电流输出单元200包括脉冲压缩电路以及全差分电流输出电路，所述脉冲压缩电路，用于将有源淬灭有源复位单元100输出的负向电压脉冲进行脉冲压缩，输出压缩后的负向电压脉冲至全差分电流输出电路，所述全差分电流输出电路200通过控制相应的开关MOS管，输出与压缩后的负向电压脉冲宽度相同的差分电流脉冲至后级电路。
实施例五
作为本发明可选的一种实施例，如图4所示，所述脉冲压缩电路包括：PMOS管M12、M13、NMOS管M14、缓冲器、与或门以及第三反相器，所述全差分电流输出电路包括：NMOS管M15、M16、M17、第一电流源以及第二电流源，所述有源淬灭有源复位单元100输出的负向电压脉冲输入NMOS管M14的栅极以及与或门的第一输入端相连，NMOS管M14的源极连接地电位，NMOS管M14的漏极分别与缓冲器输入端以及PMOS管M13的漏极相连，缓冲器的输出端连接与或门的第二输入端，PMOS管M13的源极与PMOS管M12的漏极相连，PMOS管M12的源极连接电源电位，PMOS管M12的栅极连接VBP端，PMOS管M13的栅极分别与与或门的输出端、第三反相器的输入端以及NMOS管M15的栅极相连接入输入电压V1，第三反相器的相连，作为脉冲压缩电路的输出，对于所述全差分电路输出电路，NMOS管M16的栅极和NMOS管M17的栅极相连，NMOS管M15的源极分别与NMOS管M17的源极以及第二电流源流入端相连，第二电流源的流出端接入地电位，NMOS管M15的漏极分别与NMOS管M16的源极以及第一电流源的流出端相连，第一电流源的流入端接入电源点位，NMOS管M16的漏极输出IOP，NMOS管M17的漏极输入ION。
图3包括脉冲压缩电路(210)和全差分电流输出电路(220)，其输入为VORI，输出为IOP和ION。在没有检测到光子的时候，VORI为高电平，因此V1为高电平，M15导通，同时M16和M17关断，没有电流输出。当SPAD受到光子触发时，VORI为负向电压脉冲，在VORI产生下降沿跳变的时刻，或门的另外一侧输入端为低电平，因此V1电平被拉低，导致M13导通；同时M14为关闭状态，因此M14的漏级通过M12和M13进行充电，当M14的漏级变为高电平时，V1被上拉至高电平，完成了脉冲压缩。压缩后的脉冲宽度受到上述M14漏级充电过程的时间决定，能够由VBP电压进行调节。与此同时M15在V1的低电平阶段关断，同时M16和M17导通，此时上下两个电流源分别通过M16和M17提供和抽取电流，从而形成一堆差分的电流脉冲信号IOP和ION。从而能够实现与后级差分跨阻放大器电路的直接级联，抑制共模干扰。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
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 (5)

1.一种用于激光雷达的硅光电倍增管读出电路，其特征在于，包括：有源淬灭有源复位单元(100)以及脉冲压缩和全差分电流输出单元(200)，所述有源淬灭有源复位单元(100)的输出连接所述脉冲压缩和全差分电流输出单元(200)的输入，所述有源淬灭有源复位单元(100)中的光电二极管SPAD在接收到光子后，通过正反馈进行有源淬灭所述SPAD，并有源复位所述SPAD，所述脉冲压缩和全差分电流输出单元(200)用于将有源淬灭有源复位单元(100)输出的负向电压脉冲进行脉冲压缩，并输出与压缩后的负向电压脉冲宽度相同的差分电流脉冲至后级电路。
2.根据权利要求1所述的硅光电倍增管读出电路，其特征在于，所述有源淬灭有源复位单元(100)包括：有源淬灭电路以及有源复位电路，所述有源淬灭电路，用于接收到光子后，通过正反馈进行有源淬灭所述SPAD，使得SPAD两端的电压值的差值小于反向击穿电压；所述有源复位电路，用于有源复位所述SPAD。
3.根据权利要求2所述的硅光电倍增管读出电路，其特征在于，所述有源淬灭电路包括：SPAD、PMOS管M1，NMOS管M2、M3、M4以及第一反相器，所述有源复位电路包括：PMOS管M5、M6、M9，NMOS管M7、M8、M10、M11以及第二反相器，所述SPAD的正端与所述M1的漏极相连，所述SPAD的负端接入电压VBD与VEX之和，有源淬灭有源复位单元(100)输入高压信号通过SPAD转化为电流信号与PMOS管M1漏极相连，PMOS管M1的源极与NMOS管M2的漏极、NMOS管M3的漏极、NMOS管M4的漏极以及第一反相器的输入端相连，NMOS管M2的源极接地电位，NMOS管M3的源极接地电位，NMOS管M4的源极接电源电位，第一反相器的输出端与NMOS管M4的栅端、PMOS管M6的栅端和NMOS管M7的栅端相连，PMOS管M6的源极与PMOS管M5的漏极和M5的栅极相连，NMOS管M7的源极与NMOS管M8的漏极和M8的栅极相连，PMOS管M5的源极接电源电位，NMOS管M8的源极接地电位，PMOS管M6的漏极、NMOS管M7的漏极、PMOS管M9的栅极和NMOS管M10的栅极相连，NMOS管M10的源极与NMOS管M11的漏极相连，PMOS管M9的源极接电源电位，NMOS管M11的源极接地电位，PMOS管M9的漏极、NMOS管M10的漏极与第二反相器的输入端相连，第二反相器的输出端与NMOS管M2的栅极相连，PMOS管M1的栅极接入第一电压值，NMOS管M3的栅极和NMOS管M11的栅极连接VBN端。
4.根据权利要求1所述的硅光电倍增管读出电路，其特征在于，所述脉冲压缩和全差分电流输出单元(200)包括脉冲压缩电路以及全差分电流输出电路，所述脉冲压缩电路，用于将有源淬灭有源复位单元(100)输出的负向电压脉冲进行脉冲压缩，输出压缩后的负向电压脉冲至全差分电流输出电路，所述全差分电流输出电路通过控制相应的开关MOS管，输出与压缩后的负向电压脉冲宽度相同的差分电流脉冲至后级电路。
5.根据权利要求4所述的硅光电倍增管读出电路，其特征在于，所述脉冲压缩电路包括：PMOS管M12、M13、NMOS管M14、缓冲器、与或门以及第三反相器，所述全差分电流输出电路包括：NMOS管M15、M16、M17、第一电流源以及第二电流源，所述有源淬灭有源复位单元(100)输出的负向电压脉冲输入NMOS管M14的栅极以及与或门的第一输入端相连，NMOS管M14的源极连接地电位，NMOS管M14的漏极分别与缓冲器输入端以及PMOS管M13的漏极相连，缓冲器的输出端连接与或门的第二输入端，PMOS管M13的源极与PMOS管M12的漏极相连，PMOS管M12的源极连接电源电位，PMOS管M12的栅极连接VBP端，PMOS管M13的栅极分别与与或门的输出端、第三反相器的输入端以及NMOS管M15的栅极相连接入输入电压V1，第三反相器的输出端分别与NMOS管M16的栅极和NMOS管M17的栅极相连，NMOS管M15的源极分别与NMOS管M17的源极以及第二电流源流入端相连，第二电流源的流出端接入地电位，NMOS管M15的漏极分别与NMOS管M16的源极以及第一电流源的流出端相连，第一电流源的流入端接入电源点位，NMOS管M16的漏极输出IOP，NMOS管M17的漏极输入ION。
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