CN113054976B - 一种适用于地址编码的spad阵列 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于地址编码的SPAD阵列。该阵列包括由P个SPAD探测单元组成的SPAD探测阵列、电阻分压电路、P个TG门电路和总线输出，电阻分压电路由P个电阻串联组成，电阻分压电路最外侧两端接电源和地，P个电阻经过分压后分别在电阻一端输出P级不同的固定电位作为输出端；P个TG门电路的输入端与电阻分压电路的输出端一一对应连接，P个TG门电路的输出端连接到一条公用总线上作为总线输出；每一个SPAD探测单元的输出端与一个对应TG门电路的控制端连接，用于控制当前TG门电路对总线的输出与否。本发明SPAD阵列的信号输出电路完全数字化，电路结构简单，有利于片上集成，可用于地址编码电路和位置传感器。

Description

一种适用于地址编码的SPAD阵列
技术领域
本发明涉及集成电路领域，特别是涉及一种适用于地址编码的单光子雪崩二极管探测器阵列。
背景技术
近年来，光电探测类传感器得到广泛应用。然而面阵阵列传感器的读出形式比较单一、刻板，大多基于行列选址的读出方式，该方案需要遍历整个阵列中每个像素的地址位，寻址过程耗时过多，帧频也会收到限制。尤其在低光照情况下，阵列中发生响应的像素点数目本身较少，行列选址的读取方式更加冗余。
单光子雪崩二极管SPAD(Single Photon Avalanche Diode)作为一种光电探测器件，具有易激发、高增益的特点。SPAD作用在盖革模式下，基于内光电效应，单个光子产生的光电子在强电场作用下可以快速(10ps左右)产生一次雪崩响应。故SPAD具备单个光子响应能力，能够接收到微弱的光信号。同时SPAD具有亚纳秒级的上升时间，可以大幅度提高光电转换中的信号采集速度和信号分辨能力。
SPAD在接收到光信号的情况下发生雪崩效应，能够输出高电压，在电路中形成有效脉冲电压信号。但是，如何利用SPAD探测器进行地址编码还存在技术难点，如需要降低SPAD的死区时间，防止在同一时间内有多个探测器发生响应的情况等。
发明内容
本发明针对现有探测器技术在面阵读取过程中存在耗时过长，帧频不高的不足，提出了一种适用于地址编码的SPAD阵列，可将光信号高速转换为带有地址信息的信号对外进行总线输出，并通过反推获取响应地址信息。
本发明采用的技术方案为：
一种适用于地址编码的SPAD阵列，包括由P个SPAD探测单元组成的SPAD探测阵列、电阻分压电路、P个TG门电路和总线输出，其中P≥2；所述电阻分压电路由P个电阻串联组成，电阻分压电路最外侧两端接电源和地，P个电阻经过分压后分别在电阻一端输出P级不同的固定电位作为输出端；所述P个TG门电路的输入端与电阻分压电路的输出端一一对应连接，P个TG门电路的输出端连接到一条公用总线上作为总线输出；每一个SPAD探测单元的输出端与一个对应TG门电路的控制端连接，用于控制当前TG门电路对总线的输出与否。进一步地，所述总线输出经电阻下拉到地，输出P级不同的电压值以表征发生响应的SPAD探测单元的地址信息。
进一步地，每一个SPAD探测单元包括单光子雪崩二极管、淬灭电路和整形电路。
进一步地，P个SPAD探测单元在一维方向上排列成一列或一行，组成单列或单行地址编码阵列；多个单列或单行地址编码阵列紧密排布，组成SPAD面阵传感器。
进一步地，P个SPAD探测单元在二维方向上排列成一个M×N的面阵，组成位置传感器，通过总线输出的地址信息推算二维面阵中光响应位置。
本发明采用SPAD作为光电探测器件，利用SPAD的特性实现地址编码的作用，即利用SPAD的易激发特性精确探测到光信号，同时将产生的脉冲电压信号作为开关控制信号，对特定电路结构进行对应开关控制，使不同地址位的SPAD能控制对应的不同幅值的电压输出，从而达到地址编码效果。由于SPAD更容易受到光子激发产生有效脉冲电压信号，本发明在地址编码中具有更高的响应灵敏度，有利于微弱光条件下的探测与地址编码；同时，在地址编码过程中可以将原始信号的时间信息进行输出，可在后续处理中对光电响应信号进行处理。
与现有面阵读取技术相比，本发明使用地址编码技术，可通过总线进行编码输出，整帧读取时间短，有利于高帧频读取；同时，探测单元后端电路结构相对简单，有利于片上集成。此外，本发明技术还可用于位置传感器设计，与现有位置传感器技术相比，本发明使用SPAD作为探测单元，灵敏度更高，更容易受到光子触发；响应时间更短，更容易实现高速输出以及高帧频输出。
附图说明
图1是本发明提出的适用于地址编码的SPAD阵列的结构示意图。
图2是本发明提出的SPAD阵列中电阻分压电路的结构示意图。
图3是本发明提出的SPAD阵列中SPAD探测单元的结构示意图。
图4是本发明提出的SPAD阵列中TG门电路的示意图。
图5是本发明提出的SPAD阵列的一种实施例(以16个SPAD探测单元示例)。
图6是本发明提出的SPAD阵列的一种实施例(以16个SPAD探测单元示例)的总线输出。
图7是本发明提出的SPAD阵列拓展为N级面阵的结构示意图。
图8是本发明提出的SPAD单元以二维方式排布形成位置传感器的阵列示意图。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，不用于限制本发明。
如图1所示，本发明适用于地址编码的SPAD阵列，包括由P个(P≥2)SPAD探测单元组成的SPAD探测阵列、电阻分压电路、P个TG门电路和总线输出。电阻分压电路由P个电阻串联组成，电阻分压电路最外侧两端接电源和地，P个电阻经过分压后分别在电阻一端输出P级不同的固定电位作为输出端。P个TG门电路的输入端与电阻分压电路的输出端一一对应连接，P个TG门电路的输出端连接到一条公用总线上作为总线输出。每一个SPAD探测单元的输出端与对应TG门电路的使能端连接，用于控制当前TG门电路对总线的输出与否。总线输出经电阻下拉到地，可以输出P级不同的电压值以表征发生响应的SPAD探测单元的地址信息。在图1所示结构中，输出范围为VDD/P-VDD，共有P级输出。
如图2所示，电阻分压电路由P个相同的电阻、电源和地组成。在电阻的分压作用下，各级电阻输出不同的电压值。不同的电压值范围为VDD/P，2VDD/P，3VDD/P至VDD，其中OUT1输出电压为VDD/P，OUT2输出电压为2VDD/P，以此类推，共输出P级不同的电压值，分别表征P个SPAD探测单元中对应的某一个SPAD探测单元的响应。
SPAD探测单元的结构如图3所示，包括SPAD器件、淬灭电路和整形电路。SPAD器件即为单光子雪崩二极管，其工作在盖革模式。单光子雪崩二极管发生雪崩后由淬灭电路淬灭并由整形电路整形后产生脉冲电压信号，脉冲电压信号接入TG门电路的控制端，用于控制TG门电路的开启与关闭。当有光子到达SPAD器件并发生响应时，该SPAD器件会发生雪崩击穿，输出持续大电流。淬灭电路包括主动淬灭和被动淬灭，图中以最简单的被动淬灭电阻淬灭为例，当SPAD器件发生雪崩击穿时，电流经过电阻分压，使SPAD器件两端电压降低至击穿点附近或之下，从而发生淬灭，并逐渐恢复至等待模式。整形电路用于将SPAD雪崩击穿及淬灭恢复这一整个过程中输出的电压转换成脉冲电压信号。在SPAD发生响应时整形电路输出电压信号“1”，在无响应时，整形电路输出电压信号“0”。
图4是TG门电路的示意图。TG门电路包括C和CN使能端，IN端输入端和OUT端输出端。在本发明中，使能端受SPAD探测单元控制，IN端输入端接电阻分压电路输出的电压值，输出端接公用总线作为总线输出。
图5是以16个SPAD探测单元示例的阵列结构。每一个SPAD探测单元包括一个SPAD器件和相应的淬灭电路，整形电路。当16个SPAD探测单元中某一个SPAD器件发生响应时，探测单元输出固定脉宽(比如100ns)的数字信号“1”，该数字信号将对应的TG门电路开启，TG门电路将输入的电阻分压值传输到总线输出上。通过对总线输出电压值的读取，即可反推发生响应的SPAD探测单元的位置。上述过程实现了地址编码输出。
图6是由16个SPAD探测单元构成的阵列的总线输出图。总线输出的一端连接电阻R到地，另一端作为对外输出端。当SPAD1，即第一个SPAD探测单元接收到光子时，其输出信号控制TG1门电路开启，TG1门电路输出电压值VDD，总线输出电压值即为VDD；当SPAD2，即第二个SPAD探测单元接收到光子时，其输出信号控制TG2门电路开启，TG2门电路输出电压值15VDD/16，总线输出电压值即为15VDD/16；以此类推，不同位置的SPAD探测单元接收到光子信号后总线输出不同的电压值。
图7是将SPAD阵列拓展为N级面阵的结构示意图。面阵阵列由N级单列地址编码阵列组成，N级单列地址编码阵列之间相互紧密排布。其单列地址编码阵列即为图1所示的SPAD阵列结构，其包括P个SPAD探测单元、电阻分压电路、P个TG门电路和总线输出。面阵阵列包括N条总线输出，N级单列地址编码阵列可进行同步地编码输出。通过对N条总线输出电压的读取与反推，可以获取同一时间内每列上产生响应的SPAD探测单元的地址信息。
图8是SPAD单元以二维方式排布形成位置传感器的阵列示意图。P个SPAD探测单元在二维平面上以M×N的形式进行排布，形成图8所示的M×N阵列。该M×N阵列公用一条总线输出，通过总线输出电压可以反推发生响应的SPAD探测单元的地址信息，从而得到M×N阵列中的对应位置。上述M×N阵列可以作为位置传感器使用。

Claims (5)

1.一种适用于地址编码的SPAD阵列装置，包括由P个SPAD探测单元组成的SPAD探测阵列、电阻分压电路、P个TG门电路和总线输出，其中P≥2；其特征在于，所述电阻分压电路由P个电阻串联组成，电阻分压电路最外侧两端接电源和地，P个电阻经过分压后分别在电阻一端输出P级不同的固定电位作为输出端；所述P个TG门电路的输入端与电阻分压电路的输出端一一对应连接，P个TG门电路的输出端连接到一条公用总线上作为总线输出；每一个SPAD探测单元的输出端与一个对应TG门电路的控制端连接，用于控制当前TG门电路对总线的输出与否；
所述每一个SPAD探测单元包括一个SPAD器件，当SPAD阵列中的某一个SPAD器件发生响应时，SPAD探测单元输出固定脉宽的数字信号，该数字信号将对应的TG门电路开启，TG门电路将输入的电阻分压值传输到总线输出上；通过对总线输出电压值的读取，即可反推发生响应的SPAD探测单元的位置。
2.根据权利要求1所述的一种适用于地址编码的SPAD阵列装置，其特征在于，所述总线输出经电阻下拉到地，输出P级不同的电压值以表征发生响应的SPAD探测单元的地址信息。
3.根据权利要求1所述的一种适用于地址编码的SPAD阵列装置，其特征在于，每一个SPAD探测单元包括单光子雪崩二极管、淬灭电路和整形电路。
4.根据权利要求1至3之一所述的一种适用于地址编码的SPAD阵列装置，其特征在于，P个SPAD探测单元在一维方向上排列成一列或一行，组成单列或单行地址编码阵列；多个单列或单行地址编码阵列紧密排布，组成SPAD面阵传感器。
5.根据权利要求1至3之一所述的一种适用于地址编码的SPAD阵列装置，其特征在于，P个SPAD探测单元在二维方向上排列成一个M×N的面阵，组成位置传感器，通过总线输出的地址信息推算二维面阵中光响应位置。
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