CN113519122B - 确定单光子雪崩二极管的过偏置电压的电平的电路装置 - Google Patents

确定单光子雪崩二极管的过偏置电压的电平的电路装置 Download PDF

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Abstract

一种用于确定单光子雪崩二极管的过偏置电压的电平的电路装置(1a、1b)，其包括评估电路(300)，该评估电路被配置为根据单光子雪崩二极管的输出信号(Van)的信号进程来确定单光子雪崩二极管(100)的过偏置电压(Vex)的电平。在电路装置(1a、1b)的第一操作周期中，当光子撞击单光子雪崩二极管(100)的感光区域时，在输出端子(40)上产生跳变到过偏置电压(Vex)电平的电压。在随后的第二操作周期中，单光子雪崩二极管的输出端子(40)耦合到电源端子(10)。

Description

确定单光子雪崩二极管的过偏置电压的电平的电路装置
技术领域
本公开涉及一种用于确定单光子雪崩二极管的过偏置电压的电平的电路装置。
背景技术
单光子雪崩二极管(SPAD)是一种高度敏感的光学器件，主要用于检测光子撞击雪崩二极管的光学传感器的时刻。当以高于击穿电压VBD的偏置电压VHV对SPAD进行反向偏置时，在光子撞击SPAD时产生电子空穴对。由于高电场，SPAD会产生非常短的高峰值电流脉冲。
击穿电压是SPAD的固有参数。SPAD的性能取决于偏置电压VHV比击穿电压VBD高多少。SPAD的偏置电压VHV能够表示为VHV＝VBD-Vex，其中Vex是过偏置电压。由于击穿电压VBD随温度变化，因此，如果假设(反向)偏置电压VHV保持恒定，则过偏置电压Vex也将响应于温度变化而变化。
另一方面，如果过偏置电压Vex改变，则SPAD的物理参数，例如SPAD的DCR(暗计数率)或PDP(光子检测概率)也将改变。因此，如果偏置电压VHV不能响应于温度变化而适应，则击穿电压VBD和过偏置电压Vex以及SPAD的物理参数也将发生变化，当SPAD用于距离测量的应用(例如飞行时间应用)中时，会导致系统性定时抖动。
希望提供一种用于确定单光子雪崩二极管的过偏置电压的电平的电路装置，以调节单光子雪崩二极管的偏置电压，从而使单光子雪崩二极管的物理参数几乎不受环境影响，例如温度变化。
发明内容
在权利要求1中指定了一种用于在短时间内但是以高精度确定单光子雪崩二极管的过偏置电压的电平的电路装置的实施例。
根据用于确定单光子雪崩二极管的过偏置电压的电平的电路装置的实施例，电路装置包括：电源端子，用于施加电源电位；参考端子，用于施加参考电位；以及偏置端子，用于施加偏置电位以偏置单光子雪崩二极管；以及输出端子，用于提供单光子雪崩二极管的输出信号。单光子雪崩二极管连接在偏置端子与输出端子之间。
电路装置包括可控开关电路和评估电路，以评估输出信号。可控开关电路被配置为在电路装置的第一操作周期中将输出端子耦合至参考端子，使得当光子撞击单光子雪崩二极管的感光区域时，在输出端子处发生到过偏置电压的电平的电压跳变。可控开关电路还被配置为在随后的第二操作周期中将输出端子耦合至电源端子。评估电路被配置为根据输出信号的信号进程确定过偏置电压的电平。
所提出的解决方案使得能够在第一次检测到光子事件的情况下找到过偏置电压的电流电平。为此目的，输出端子耦合到参考端子，以在电路装置的第一操作周期期间施加参考电位，例如接地电位。如果光子撞击单光子雪崩二极管的光敏区域，则输出端子处的输出信号显示到待确定的过偏置电压的电平的电压跳变/峰值。
在输出端子处发生电压跳变/峰值之后，可控开关电路在第二操作周期中操作电路装置，其中输出端子耦合到偏置端子以施加偏置电位，使得输出端子被充电。在输出端子的充电期间，单光子雪崩二极管保持淬灭，使得SPAD不会传导任何电流，并且在充电过程中也不会有其他光子能够触发SPAD。因此，在输出端子处的输出信号显示出从待确定的过偏置电压的电平到电源电位的电平的线性增加的斜率。
在输出端子处发生电压跳变/峰值之后，输出信号的线性增加的电压斜率允许以简单但精确的方式确定过偏置电压的电平。特别地，根据在出现到过偏置电压的电平的电压跳变/峰值与输出信号在输出端子处超过第一阈值之间的第一时间，并且根据在输出信号超过第一阈值与输出信号超过第二阈值之间的第二时间来确定过偏置电压的电平。
能够通过使用时间数字转换器或数字计数器在数字域中确定在输出端子处出现到过偏置电压的电平的电压跳变/峰值与输出信号超过第一阈值之间的第一时间跨度，以及在跳变到过偏置电压的电平的电压跳变/峰值与输出信号超过第二阈值之间的第二时间跨度。使用时间数字转换器(TDC)或数字计数器作为评估电路的部件使得能够计算数字域中过偏置电压的电平。
因此，不需要用于不同的过偏置电压的专用参考电路。此外，用于确定过偏置电压的电平的电路装置的解决方案预计面积小并且具有低功耗。此外，由于仅需要一个光子撞击到SPAD的感光区域的事件即可找到过偏置电压的当前电平，因此找到过偏置电压的适当电平所需的时间预计会很小。
包括了附图以提供进一步的理解，并且附图被并入本说明书中并构成本说明书的一部分。附图示出了用于确定单光子雪崩二极管的过偏置电压的电平的电路装置的几个实施例，并且与说明书一起用于解释电路装置的各个实施例的原理和操作。
附图说明
图1示出了用于确定SPAD的过偏置电压的电平的电路装置的第一实施例；
图2示出了SPAD的输出信号的电压斜率，该电压斜率用于确定SPAD的过偏置电压的电平；
图3示出了用于确定SPAD的过偏置电压的电平的电路装置的第一实施例的可能实施方式；
图4示出了用于确定SPAD的过偏置电压的电平的电路装置的第一实施例的实施方式的内部节点处的信号的时序图；
图5示出了用于确定SPAD的过偏置电压的电平的电路装置的第二实施例；
图6示出了用于确定SPAD的过偏置电压的电平的电路装置的第二实施例的可能实施方式；
图7示出了用于确定SPAD的过偏置电压的电平的电路装置的第二实施例的实施方式的内部节点处的信号的时序图；
图8示出了传感器装置的实施例，该传感器装置包括用于确定SPAD的过偏置电压的电平的电路装置；
图9示出了通信装置的实施例，该通信设备包括传感器装置，该传感器装置包括用于确定SPAD的过偏置电压的电平的电路装置。
具体实施方式
图1示出了用于确定单光子雪崩二极管的过偏置电压Vex的电平的电路装置1a的第一实施例。用于确定单光子雪崩二极管的过偏置电压的电平的电路装置1b的第二实施例在图5中示出。在下文中，描述了用于确定单光子雪崩二极管的过偏置电压的电平的电路装置1a和1b的第一实施例和第二实施例的共同元件。
电路装置1a、1b包括用于施加电源电位AVDD的电源端子10和用于施加参考电位GND(例如接地电位)的参考端子20。电源电位AVDD可以由电路装置的主电池产生，或者可以是例如由倍压器、电荷泵、DC一DC转换器等产生的任何其他电压。电路装置1a、1b还包括用于施加偏置电位VHV以偏置单光子雪崩二极管100的偏置端子30。电路装置1a、1b包括用于提供单光子雪崩二极管100的输出信号Van的输出端子40。单光子雪崩二极管100连接在偏置端子30与输出端子40之间。
电路装置1a、1b包括可控开关电路200。可控制开关电路200被配置为在电路装置1a、1b的第一操作周期中将输出端子40电耦合至参考端子20，使得当光子撞击单光子雪崩二极管100的光敏区域时，在输出端子40处发生到过偏置电压Vex的电平的电压跳变。
可控开关电路200还被配置为将输出端子40电耦合至电源端子，以在电路装置1a、1b的随后的第二操作周期中施加电源电位AVDD。
电路装置1a、1b还包括用于评估输出信号Van的评估电路300。评估电路300被配置为根据输出信号Van的信号进程来确定过偏置电压Vex的电平。为此，评估电路300监测在输出端子40处的输出信号Van的信号进程。
当在输出端子40处产生输出电压Van的到过偏置电压Vex的电平的电压跳变/峰值时，电路装置1a、1a的单光子雪崩二极管100淬灭，即以非导通状态操作。因此，输出信号Van的电平以线性增加的斜率上升。这种配置有利地使得评估电路300必须以线性梯度评估输出信号的电压进程，以确定过偏置电压Vex的电平。能够通过如之后解释的基本数学方程来确定过偏置电压的电平，使得能够以降低的复杂度实现评估电路。
根据电路装置1a、1b，设置了控制电路400以控制可控开关电路200。控制电路400被配置为根据在输出端子40处的输出信号Van的值来控制可控开关电路200。作为有利的结果，不需要用于评估不同Vex偏置电压的参考电路。
可控开关电路200被配置为根据在输出端子40处的输出信号Van的值来选择性地将输出端子40电耦合到电源端子10或参考端子20。可控开关电路200的这种配置允许当光子第一次撞击单光子雪崩二极管100的光敏区域并且可控开关电路200将输出端子40电耦合到参考端子20处的参考电位时，在输出端子40处提供输出信号Van的电压跳变/或峰值。
控制电路400被配置为控制可控开关电路200，使得当输出端子40预先电耦合至参考端子20并且控制电路40检测到输出信号Van的电压跳变/峰值在输出端子40处的发生时，输出端子40通过可控开关电路200电耦合至电源端子10。控制电路400或可控开关电路200的这种配置使得当光子第一次撞击单光子雪崩二极管100的光敏区域并且单光子雪崩二极管淬灭时，输出端子40处的电压在第二操作周期期间持续增大。因此，在第二操作周期期间，输出端子40处的输出信号Van显示出线性增大的电压斜率。
根据电路装置1a、1b的实施例，可控开关电路200包括布置在输出端子40与参考端子20之间的第一电流路径201，以及布置在输出端子40与电源端子10之间的第二电流路径202。第一电流路径201包括第一可控开关210和第一电流发生器220。第二电流路径202包括第二可控开关230和第二电流发生器240。
根据电路装置1a和1b的实施例，可控开关电路200包括淬灭电路，该淬灭电路由第一可控开关210和第一电流源220实现。
可控开关电路200的这种配置有利地使得当光子第一次撞击单光子雪崩二极管100的光敏区域并且输出端子40经由第一电流路径201，即经由第一可控开关210和第一电流发生器220连接到参考端子20时，在输出端子40处发生输出信号Van的电压跳变/峰值。此外，可控开关电路200的配置使得当输出端子40经由第二电流路径202，即经由第二可控制开关230和第二电流发生器240电耦合到电源端子10时，输出端子40处的输出信号Van以线性增加的斜率从过偏置电压Vex的电平上升到电源电压AVDD的值。
根据电路装置1a和1b的实施例，第一可控开关210和第一电流发生器220在输出端子40与参考端子20之间的电流路径201中串联连接。可控开关230和电流发生器240在输出端子40与电源端子10之间的电流路径202中串联连接。
控制电路400布置在输出端子40与可控开关电路200之间的反馈路径中。特别地，控制电路400生成用于以相反的方式控制可控开关210和230的控制信号。如果可控开关210被切换到导通状态，则可控开关230在非导通状态下操作，反之亦然。
下面参照图1至4描述电路装置1a的第一实施例。
根据电路装置1a的实施例，评估电路300包括比较器电路310，该比较器电路具有耦合到输出端子40的第一输入端子I310a和用于施加第一阈值VREFL的第二输入端子I310b。比较器电路310还包括用于输出第一比较信号OUTL的第一比较器输出端子O310。第一比较器电路310有利地使得能够检测输出信号Van的电平达到第一阈值VREFL的时刻。
评估电路300还包括第二比较器电路320，该第二比较器电路具有耦合到输出端子40的第一输入端子I320a，以及用于施加第二阈值VREFH的第二输入端子I320b。第二比较器电路320还包括用于输出第二比较信号OUTH的第二比较器输出端子O320。第二比较器电路320有利地使得能够检测输出信号Van达到第二阈值VREFH的时刻。
电路装置1a包括时间数字转换器或数字计数器330，其耦合到第一比较器输出端子和第二比较器输出端子O310、O320并且耦合到输出端子40。时间数字转换器/数字计数器330有利地使得能够执行对数字域中的过偏置电压Vex的电平的计算。
如图1所示，电路装置1a的评估电路300包括计算电路360，该计算电路耦合至时间数字转换器/数字计数器330。计算电路360可以被配置为微处理器以响应于时间数字转换器/数字计数器330的输出信号来计算过偏置电压Vex的电平。
图2示出了用于确定单光子雪崩二极管100的过偏置电压Vex的电平的电路装置1a的测量/计算原理。该方法基于根据输出信号Van的电压斜率来对过偏置电压Vex的电平的计算。
如上所述，在电路装置1a的第一操作周期中，输出端子40通过可控开关电路200电耦合至参考端子20。特别地，控制电路400控制可控开关电路200，使得第一可控开关210在导通状态下操作，第二可控开关230在非导通状态下操作。因此，输出信号Van的电平处于参考电位(例如接地电位GND)的电平。
如果光子撞击单光子雪崩二极管100，则输出信号Van的电压电平上升到过偏置电压Vex的电平。在输出端子40处发生输出信号Van的到过偏置电压Vex的电平的电压跳变/峰值。在SPAD的激发之后，即SPAD在导通状态下的操作之后，位于反馈回路中的控制电路400被激活以在非导通状态下操作第一可控开关210并且在导通状态下操作第二可控开关230。第二电流源240开始对输出端子40充电，使得输出端子40处的输出信号Van从过偏置电压Vex的电平上升到电源电压AVDD的值。
在充电过程中，单光子雪崩二极管100保持淬灭，即SPAD 100在非导通状态下操作，因为通过将输出端子40/SPAD 100的阳极节点从过偏置电压Vex的电平充电到电源电压AVDD的电平，SPAD处的电压(即指SPAD的阴极与阳极之间的电压)降到击穿电压VBD以下，直至VBD-(AVDD-Vex)。这意味着在充电过程中其他光子不能触发SPAD 100。
如果在输出信号Van的斜率的某些时间点处已知输出信号Van的电压值，则能够计算过偏置电压Vex的电平。对于该解决方案，输出端子40/SPAD 100的阳极节点的电容或恒定电流的量不是问题。
评估电路300被配置为确定第一时间T1，在该第一时间期间，输出端子40处的输出信号Van从过偏置电压Vex的电平上升到第一阈值VREFL。此外，评估电路300被配置为确定第二时间T2，在该第二时间期间，输出端子40处的输出信号Van从第一阈值VREFL上升到第二阈值VREFH。根据以下公式，评估电路的这种配置有利地允许根据图2所示的输出信号Van的电压斜率来计算过偏置电压Vex的电平：
Figure BDA0003066366940000081
能够利用第一比较器电路310和第二比较器电路320检测输出信号Van的电压斜率超过第一阈值VREFL和第二阈值VREFH的时刻。但是，由于比较器电路的偏移电压和内部寄生节点，比较器电路310、320引入了从输入到输出的偏移时间。由于这些偏移时间，因此应将公式更改为：
Figure BDA0003066366940000082
偏移时间Toffset-low是第一比较器电路310的偏移时间，偏移时间Toffset-high是第二比较器电路320的偏移时间。偏移时间能够是正数或负数，这意味着第一比较器电路和第二比较器电路能够在输出信号Van的电压斜率超过第一阈值和第二阈值VREFL、VREFH之前或之后的某个时间改变其状态。如果T1相对于Toffset-low非常大(T1>>|Toffset-low|)，并且T2相对于Toffset-high非常大(T2>>Toffset-high)，则测量较少地受到比较器偏移和内部寄生效应的影响。
图3示出了实现用于确定单光子雪崩二极管100的过偏置电压Vex的电平的图1的电路装置1a的可能的实施方式。电路装置1a包括单光子雪崩二极管100、可控开关电路200、评估电路300和控制器400。单光子雪崩二极管100布置在用于施加偏置电位VHV的偏置端子30与用于提供输出信号Van的输出端子40之间。
可控开关电路200包括第一可控开关210、第一电流发生器220和第二可控开关230、第二电流发生器240。第一电流发生器230由包括晶体管221和222的电流镜实现。电流镜耦合到恒定电流源260以提供恒定电流Ibias。第二电流发生器240由包括晶体管221和243的第一电流镜和包括晶体管241和242的第二电流镜来实现。此外，设置有可控开关250以启用/激活用于确定过偏置电压Vex的电平的电路装置1a。
评估电路300包括第一比较器电路310和第二比较器电路320、时间数字转换器/数字计数器330和计算电路360。评估电路300还包括串联连接的逆变器370以将时间数字转换器/数字计数器330电耦合到输出端子40。
控制电路400以其输入侧耦合到输出端子40和用于施加复位信号RST的复位端子50。控制电路400可以实现为具有复位端子50的与非门401。与非门401的另一个输入端子耦合至输出端子40。
下面参考图4所示的时序图来说明图3的电路装置1a的功能。当用于启用/激活电路装置1a的控制信号EN为低时，输出端子40经由在导通状态下操作的可控开关250连接到电源端子10。因此，单光子雪崩二极管100淬灭，即在非导通状态下操作。如果电路装置1a被激活/启用以确定单光子雪崩二极管100的过偏置电压Vex的电平，则控制信号EN和复位信号RST被设置为高电平。因此，可控开关230在导通状态下操作，可控开关210在非导通状态下操作。输出端子40经由可控开关230和晶体管241保持连接到电源电位AVDD。
当控制电路400检测到施加到复位端子50的复位信号RST的脉冲时，控制电路200被配置为将输出端子40电耦合至参考端子20。因此，当复位信号RST从高状态变换到低状态(复位阶段)时，第一可控开关210被切换至导通状态，第二可控开关230被切换至非导通状态。因此，输出端子40经由电流调节的淬灭晶体管222向地放电。
当光子撞击SPAD 100时，输出端子40处的输出信号Van的电位上升到过偏置电压Vex的电平。如图2的时序图所示，在输出端子40处发生输出信号Van的到过偏置电压Vex的电平的电压跳变/峰值。这时，SPAD 100淬灭。如果在输出端子40处的输出信号Van的电位高于逆变器370之一和控制电路400的与非门401内部的阈值电压Vth，则在串联耦合的逆变器370的输出侧产生的反馈信号FS变高，并且与非门401将可控开关210切换至非导通状态，将第二可控开关230切换为导通状态。
因此，具有晶体管241的电流路径202开始将输出端子40充电至电源电位AVDD。输出端子40处的输出信号Van从过偏置电压Vex的电平上升到电源电压AVDD的值。上升的电压显示出线性增加的进程。特别地，输出信号Van的电压斜率显示了线性梯度。
在该充电过程期间，输出端子40处的输出信号的电位超过第一阈值VREFL和第二阈值VREFH。评估电路300确定了第一时间T1，在该第一时间期间，输出端子40处的输出信号Van从过偏置电压Vex的电平上升到第一阈值VREFL。此外，评估电路300确定了第二时间T2，在第二时间期间，输出端子40处的输出信号Van从第一阈值VREFL上升到第二阈值VREFH。
为此目的，第一比较器电路310被配置为当输出信号Van超过第一阈值VREFL时，输出第一比较信号OUTL的脉冲，例如从低电平到高电平的上升沿。此外，第二比较器电路320被配置为当输出信号Van超过第二阈值VREFH时，输出第二比较信号OUTH的脉冲，例如从低电平到高电平的上升沿。因此，比较器电路310和320的第一比较信号和第二比较信号VREFL和VREFH限定了图2中的T1时间周期和T2时间周期的起始点和中止点。
时间数字转换器/数字计数器330被配置为确定在出现输出信号Van的到过偏置电压Vex的电平的电压跳变/峰值与出现第一比较信号OUTL的脉冲之间的第一时间跨度TS1。此外，时间数字转换器/数字计数器330被配置为确定在出现输出信号Van的电压跳变/峰值与出现第二比较信号OUTH的脉冲之间的第二时间跨度TS2。
计算电路360被配置为根据第一时间跨度和第二时间跨度TS1、TS2来计算第一时间和第二时间T1、T2。此外，计算电路360被配置为根据第一时间和第二时间T1、T2以及根据第一阈值和第二阈值VREFL、VREFH来确定过偏置电压Vex的电平。通过计算以下公式，能够根据计算电路360来计算过偏置电压Vex的电平：
Figure BDA0003066366940000101
图5示出了用于确定单光子雪崩二极管100的过偏置电压Vex的电平的电路装置1b的第二实施例。
电路装置1b包括单光子雪崩二极管100、可控开关电路200和如以上参照图1和图3所述而实施的控制电路400。电路装置1b还包括用于评估在输出端子40处的输出信号Van的评估电路300。评估电路300被配置为根据输出信号Van的信号进程来确定过偏置电压Vex的电平。
根据电路装置1b的实施例，评估电路300包括比较器电路340，该比较器电路具有：第一输入端子I340a，其耦合到输出端子40；以及第二输入端子1340b，用于施加第一阈值和第二阈值VREFL、VREFH；以及比较器输出端子0340，其用于输出比较信号OUT_COMP。
评估电路300还包括选择电路350，其用于选择要被施加到比较器电路340的第二输入端子I340b的第一阈值或第二阈值VREFL、VREFH中的一个。特别地，选择电路350包括用于产生控制信号的控制电路355，以控制用于将第一阈值VREFL施加到比较器电路340的第二输入端子I340b的可控开关351。此外，选择电路350的控制电路355产生用于控制可控开关352的控制信号，以将第二阈值VREFH施加到比较器电路340的第二输入端子I340b。电压源353将第一阈值VREFL生成为电压电平，并且电压源354将第二阈值VREFH生成为电压电平。
电路装置1b的评估电路300还包括时间数字转换器/数字计数器330，其耦合到比较器输出端子O340和输出端子40。此外，评估电路300包括计算电路360，其耦合到时间数字转换器/数字计数器330。
图6示出了图5的电路装置1b的可能的实施方式。如参照图3说明的，图6的电路装置1b包括单光子雪崩二极管100、可控开关电路200和控制电路400。
电路装置1b的评估电路300与图3所示的电路装置1a的评估电路不同。特别地，电路装置1b的评估电路300仅包括一个比较器电路340，而不是电路装置1a的评估电路的两个比较器电路310、320。与图3的两个比较器方法相比，仅使用一个比较器电路340具有关于功耗和由于偏移电压和内部寄生效应引起的测量误差的优点。
如图6所示，选择电路350的控制电路355能够实现为触发器，例如D触发器。触发器355的输入侧连接到比较器输出端子O340和用于施加电源电压DVDD的端子。电源电压DVDD可以低于电源电压AVDD。控制电路355的输出侧可以经由可选的电平移位器357耦合至可控开关351的控制端子，并且经由可选的电平移位器356耦合至可控开关352的控制端子。
时间数字转换器/数字计数器330经由包括串联连接的逆变器370的反馈路径耦合到输出端子40。
下面参考图7的时序图描述图6所示的电路装置1b的功能。控制信号EN、复位信号RST和输出信号Van的进程类似于图4中示出并参考图4描述的各个信号的进程。然而，由于评估电路300的配置不同，比较器电路340在比较器输出端子O340处生成的比较信号OUT_COMP的进程与图4所示的第一比较器电路和第二比较器电路310、320的第一比较信号和第二比较信号OUTL、OUTH不同。
当输出信号Van超过第一阈值VREFL时，比较器电路340被配置为在比较器输出端子O340处输出比较信号OUT_COMP的状态/脉冲的第一变化。此外，当输出信号Van超过第二阈值VREFH时，比较器电路340被配置为在比较器输出端子O340处输出比较信号OUT_COMP的状态/脉冲的第二变化。图7显示了比较信号OUT_COMP的示例性进程。
时间数字转换器/数字计数器330可以被配置为确定在出现输出信号Van的电压跳变/峰值与出现比较信号OUT_COMP的状态/脉冲的第一变化之间的第一时间跨度TS1。此外，时间数字转换器/数字计数器330可以被配置为确定在出现输出信号Van的电压跳变/峰值与出现比较信号OUT_COMP的状态/脉冲的第二变化之间的第二时间跨度TS2。
计算电路360可以被配置为根据所确定的第一时间跨度和第二时间跨度TS1、TS2来计算第一时间和第二时间T1、T2。此外，计算电路360可以被配置为根据第一时间和第二时间T1、T2以及根据第一阈值和第二阈值VREFL、VREFH来确定过偏置电压Vex的电平。
与图1和3所示的电路装置1a的实施例相比，认为图5和6所示的电路装置1b的实施例是改进的解决方案。与仅使用一个比较器电路340的电路装置1b相比，电路装置1a的实施例使用两个比较器电路310和320。这两个比较器电路310、320具有不同的偏移电压和内部寄生效应，其通过偏移时间引入了测量误差。而且，在使用两个比较器电路310、320而不是仅一个比较器电路340的情况下，功耗增加了一倍。根据电路装置1b的方法，偏移电压和寄生效应对测量结果的影响较小。与用于计算电路装置1a的过偏置电压Vex的电平的公式相比，通过电路装置1b的计算电路360来计算过偏置电压Vex的电平的公式由下式给出：
Figure BDA0003066366940000131
可以由计算电路360评估的公式表明，过偏置电压Vex的电平的测量/计算受偏移电压和寄生效应的影响较小。例如，假设T1＝T2＝10μs且Toffset-low＝—Toffset-high＝Toffset＝0.1μs，则对于电路装置la的两个比较器情况，方程变为：
Figure BDA0003066366940000132
并且对于电路装置1b的一个比较器的情况：
Figure BDA0003066366940000133
时间Toffset根据偏置条件改变。
如图7所示，在复位阶段(RST＝0)之后，第一阈值VREFL经由可控开关351(例如由PMOS晶体管实现)连接到第二比较器输入端子I340b，因为开关351在导通状态下操作。也可以由PMOS晶体管实现的可控开关352在非导通状态下操作。
当输出信号Van的电压斜率超过第一阈值VREFL时，比较信号OUT_COMP的状态改变，例如正脉冲，计算电路360使用该状态改变来确定第一时间T1。比较信号OUT_COMP也被施加到控制电路355并且改变触发器353的状态，使得可控开关351在非导通状态下操作并且可控开关352在导通状态下操作。因此，第二阈值VREFH被转发到比较器电路340的第二输入端子I340b。
图8示出了可能的应用，其中可以使用用于确定单光子雪崩二极管的过偏置电压Vex的电平的电路装置1a、1b。电路装置1a、1b可以被包括在传感器装置2中。传感器装置2可以包括偏置电压发生器500以提供偏置电位VHV。偏置电压发生器500可以由可以实现为微处理器的计算电路360控制。
根据计算出的过偏置电压Vex的电平，控制信号(例如调整位)由计算电路360生成并由偏置电压发生器500接收。偏置电压发生器500可以被配置为根据由电路装置1a、1b确定的过偏置电压Vex的电平来调节偏置电位VHV。然后，可以将偏置电位VHV施加到电路装置1a、1b的偏置端子30和传感器矩阵600，该传感器矩阵可以包括光学传感器610。
如图9所示，传感器设备2可以被包括在通信设备3中。通信设备3可以被实现为例如以下之一：飞行时间测量装置、LIDAR测量装置、时间相关的单光子计数装置、断层扫描仪等。
在电路装置1a和1b的实施例中，单光子雪崩二极管100被示为连接到用于施加正偏置电位的偏置端子30。因此，单光子雪崩二极管100的阴极连接到偏置端子30并且阳极连接到输出端子40。为完整性起见，提到本领域技术人员能够容易地修改电路装置1a、1b以使用负偏置电位代替正偏置电位。在这种情况下，单光子雪崩二极管100的阳极侧连接到偏置端子30并且阴极侧连接到输出端子40。然而，电路装置1a和1b的基本原理保持不变。
附图标记说明
1a、1b 电路装置
10 电源端子
20 参考端子
30 偏置端子
40 输出端子
100 单光子雪崩二极管
200 可控开关电路
201、202 电流路径
210、230 可控开关
220、240 电流发生器
300 评估电路
310、320 比较器电路
330 时间数字转换器/数字计数器
340 比较器电路
350 选择电路
360 计算电路
400 控制电路
500 偏置电压发生器
600 传感器矩阵。

Claims (13)

1.一种用于确定单光子雪崩二极管的过偏置电压的电平的电路装置，包括：
-电源端子(10)，其用于施加电源电位(AVDD)，
-参考端子(20)，其用于施加参考电位(GND)，
-偏置端子(30)，其用于施加偏置电位(VHV)来偏置所述单光子雪崩二极管(100)，
-输出端子(40)，其用于提供所述单光子雪崩二极管(100)的输出信号(Van)，所述单光子雪崩二极管(100)连接在所述偏置端子(30)与所述输出端子(40)之间，
-可控开关电路(200)，
-评估电路(300)，其用于评估所述输出信号(Van)，
-其中，所述可控开关电路(200)被配置为：在所述电路装置的第一操作周期中将所述输出端子(40)耦合至所述参考端子(20)，使得当光子撞击所述单光子雪崩二极管(100)的光敏区域时，在所述输出端子(40)处出现到所述过偏置电压(Vex)的电平的电压跳变；以及在随后的第二操作周期中将所述输出端子(40)耦合到所述电源端子(10)，
-其中，所述评估电路(300)被配置为确定第一时间(T1)，在所述第一时间期间，所述输出端子(40)处的所述输出信号(Van)从所述过偏置电压(Vex)的电平变为第一阈值(VREFL)，
-其中，所述评估电路(300)被配置为确定第二时间(T2)，在所述第二时间期间，所述输出端子(40)处的所述输出信号(Van)从所述第一阈值(VREFL)变为与所述第一阈值(VREFL)不同的第二阈值(VREFH)；
-其中，所述评估电路(300)被配置为根据所述第一时间(T1)、第二时间(T2)、第一阈值(VREFL)和第二阈值(VREFH)确定所述过偏置电压(Vex)的电平，
-其中，所述可控开关电路(200)包括布置在所述输出端子(40)与所述参考端子(20)之间的第一电流路径(201)，以及布置在所述输出端子(40)与所述电源端子(10)之间的第二电流路径(202)，
-其中，所述第一电流路径(201)包括第一可控开关(210)和第一电流发生器(220)，
-其中，所述第二电流路径(202)包括第二可控开关(230)和第二电流发生器(240)。
2.根据权利要求1所述的电路装置，
-其中，当在所述输出端子(40)处产生所述输出信号(Van)的到所述过偏置电压(Vex)的电平的电压跳变时，所述单光子雪崩二极管(100)被淬灭，使得所述输出信号(Van)的电平线性地上升。
3.根据权利要求2所述的电路装置，包括：
-控制电路(400)，其用于根据所述输出端子(40)处的输出信号(Van)的值来控制所述可控开关电路(200)，
-其中，所述可控开关电路(200)被配置为根据所述输出端子(40)处的输出信号(Van)的值选择性地将所述输出端子(40)电耦合到所述电源端子(10)或所述参考端子(20)。
4.根据权利要求3所述的电路装置，包括：
-复位端子(50)，其用于施加复位信号(RST)，
-其中，所述可控开关电路(200)被配置为，当所述控制电路(400)检测到施加到所述复位端子(50)的所述复位信号(RST)时，将所述输出端子(40)电耦合至所述参考端子(20)。
5.根据权利要求3或4所述的电路装置，其中，所述控制电路(400)被配置为控制所述可控开关电路(200)，使得当在所述第一操作周期中所述输出端子(40)电耦合至所述参考端子(20)，并且所述控制电路(400)检测到所述输出端子(40)处的输出信号(Van)发生电压跳变时，在第二操作周期中，所述输出端子(40)通过所述可控开关电路(200)电耦合至所述电源端子(10)。
6.根据权利要求3至4中任一项所述的电路装置，
其中，所述可控开关电路(200)被配置为使得当所述输出端子(40)电耦合至所述电源端子(10)时，所述输出端子(40)处的所述输出信号(Van)从所述过偏置电压(Vex)的电平变化到所述电源电位(AVDD)的值。
7.根据权利要求1所述的电路装置，
-其中，所述评估电路(300)包括第一比较器电路(310)，所述第一比较器电路具有：耦合到所述输出端子(40)的第一输入端子(I310a)；和用于施加所述第一阈值(VREFL)的第二输入端子(I310b)；和用于输出第一比较信号(OUTL)的第一比较器输出端子(O310)，所述第一比较器电路(310)被配置成当所述输出信号(Van)超过所述第一阈值(VREFL)时输出所述第一比较信号(OUTL)的脉冲，
-其中，所述评估电路(300)包括第二比较器电路(320)，所述第二比较器电路具有耦合到所述输出端子(40)的第一输入端子(I320a)、用于施加所述第二阈值(VREFH)的第二输入端子(I320b)、以及用于输出第二比较信号(OUTH)的第二比较器输出端子(O320)，所述第二比较器电路(320)被配置为当所述输出信号(Van)超过所述第二阈值(VREFH)时输出所述第二比较信号(OUTH)的脉冲。
8.根据权利要求7所述的电路装置，
-其中，所述评估电路(300)包括时间数字转换器或计数器(330)，所述时间数字转换器或计数器耦合到所述第一比较器输出端子(O310)和所述第二比较器输出端子(O320)并且耦合到所述输出端子(40)，
-其中，所述时间数字转换器或计数器(330)被配置为确定在出现所述输出信号(Van)的电压跳变与出现所述第一比较信号(OUTL)的脉冲之间的第一时间跨度(TS1)，
-其中，所述时间数字转换器或计数器(330)被配置为确定在出现所述输出信号(Van)的电压跳变与出现所述第二比较信号(OUTH)的脉冲之间的第二时间跨度(TS2)。
9.根据权利要求1所述的电路装置，
-其中，所述评估电路(300)包括比较器电路(340)，所述比较器电路具有耦合至所述输出端子(40)的第一输入端子(I340a)、用于施加所述第一阈值(VREFL)和所述第二阈值(VREFH)的第二输入端子(I340b)、以及比较器输出端子(O340)，
-其中，所述评估电路(300)包括选择电路(350)，其用于选择要施加到所述比较器电路(340)的第二输入端子(I340b)的所述第一阈值(VREFL)或所述第二阈值(VREFH)中的一个，
-其中，所述比较器电路(340)被配置为：当所述输出信号(Van)超过所述第一阈值(VREFL)时，在所述比较器输出端子(O340)处输出比较信号(OUT_COMP)的第一脉冲；以及当所述输出信号(Van)超过所述第二阈值(VREFH)时，在所述比较器输出端子(O340)处输出比较信号(OUT_COMP)的第二脉冲。
10.根据权利要求9所述的电路装置，
-其中，所述评估电路(300)包括时间数字转换器或数字计数器(330)，所述时间数字转换器或数字计数器耦合到所述比较器输出端子(O340)和所述输出端子(40)，
-其中，所述时间数字转换器或数字计数器(330)被配置为确定在出现所述输出信号(Van)的电压跳变与出现所述比较信号(OUT_COMP)的第一脉冲之间的第一时间跨度(TS1)，
-其中，所述时间数字转换器(330)被配置为确定在出现所述输出信号(Van)的电压跳变与出现所述比较信号(OUT_COMP)的第二脉冲之间的第二时间跨度(TS2)。
11.根据权利要求8或10所述的电路装置，包括：
-其中，所述评估电路(300)包括计算电路(360)，所述计算电路耦合到所述时间数字转换器或数字计数器(330)，
-其中，所述计算电路(360)被配置为根据所述第一时间跨度(TS1)和所述第二时间跨度(TS2)计算所述第一时间(T1)和所述第二时间(T2)，
-其中，所述计算电路(360)被配置为根据所述第一时间(T1)和所述第二时间(T2)以及根据所述第一阈值(VREFL)和所述第二阈值(VREFH)来确定所述过偏置电压(Vex)的电平。
12.一种传感器装置，包括：
-根据权利要求1至11中任一项所述的用于确定单光子雪崩二极管(100)的过偏置电压(Vex)的电平的电路装置(1a、1b)，
-偏置电压发生器(500)，其用于提供偏置电位(VHV)，其中，所述偏置电压发生器(500)被配置为根据由所述电路装置(1a、1b)确定的所述过偏置电压(Vex)的电平来调节所述偏置电位(VHV)。
13.一种通信装置，包括：
-根据权利要求12所述的传感器装置(2)，
-其中，所述通信装置(3)被实现为以下之一：飞行时间测量设备、LIDAR测量装置、时间相关的单光子计数装置或断层扫描仪。
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