CN115603723A - 用于自动调节spad偏置电压的方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本申请提出了一种用于自动调节SPAD偏置电压的方法及其应用，包括以下步骤：S00、实时监测SPAD的脉冲信号；S10、对脉冲信号的峰值进行采样；S20、将峰值电压与设定值范围比较；S30、若峰值电压大于设定值范围的最大值，则判定为偏置电压过大；若峰值电压处于设定值范围内，则判定为偏置电压合适并结束；若峰值电压小于设定值的最小值，则判定为偏置电压过小；S40、根据S30步骤的比较结果，将判定为偏置电压过大和偏置电压过小的结果进行补偿；S50、循环S00~S40步骤，直至峰值电压处于设定值范围内并结束。本申请具有调节更加精确，不受SPAD差异性影响和环境影响的优点。

Description

用于自动调节SPAD偏置电压的方法及其应用

技术领域

本申请涉及光电二极管领域，特别是一种涉及用于自动调节SPAD偏置电压的方法及其应用。

背景技术

单光子雪崩二极管（SPAD）是高灵敏度的光学器件，其工作性能取决于由施加在两端的偏置电压（VHV）与击穿电压（VBV）之差（Vex）。由于击穿电压会随着温度的变化而变化，若不随之改变偏置电压，则会影响SPAD的工作性能。

目前需要一种可以自动设置偏置电压的方法和电路，使其可以与击穿电压之差保持在一定范围内，保证SPAD工作稳定。为此现有技术方案通常在SPAD芯片附近放置温度传感器，经过后续测试标定后得出相应的电压温度补偿曲线，然后将其写入外部控制MCU内，根据温度传感器的读数来调节偏置电压（VHV）。然而这种方式由于温度传感器读取芯片温度误差较大（受传感器摆放位置和板子散热情况影响），会导致后续调节也产生较大差异；同时由于是测试标定得出的电压温度补偿曲线，步骤较为繁琐，且不同芯片的SPAD击穿电压可能不一致（同一个芯片上同种结构的SPAD击穿电压一致），难以用同一曲线来补偿所有芯片。

因此，亟待一种解决在供给SPAD的偏置电压一定时，由于击穿电压（VBV）会随温度变化导致Vex变化（温度每升高10度，VBV升高约60mV），进而对SPAD工作性能造成影响的问题的方法及其应用。

发明内容

本申请实施例提供了一种用于自动调节SPAD偏置电压的方法及其应用，针对目前技术存在的误差较大等问题。

本发明核心技术主要是采用当SPAD被光子触发后产生的一个脉冲，此脉冲的峰值Vpp大致和Vex相等，将其作为判断标准。

第一方面，本申请提供了一种用于自动调节SPAD偏置电压的方法，所述方法包括以下步骤：

S00、实时监测SPAD正常工作状态下被光子触发产生的脉冲信号；

S10、对脉冲信号的峰值进行采样，得到峰值电压；

S20、将峰值电压与设定值范围比较，该设定值范围根据SPAD在最佳工作条件下的偏置电压与击穿电压之差Vex设定；

S30、若峰值电压大于设定值范围的最大值，则判定为偏置电压过大；若峰值电压处于设定值范围内，则判定为偏置电压合适并结束；若峰值电压小于设定值的最小值，则判定为偏置电压过小；

S40、根据S30步骤的比较结果，将判定为偏置电压过大和偏置电压过小的结果进行补偿；

S50、循环S00~S40步骤，直至峰值电压处于设定值范围内并结束。

进一步地，S00步骤中，SPAD阳极端串联有一猝灭电阻，该猝灭电阻远离SPAD的一端接地。

进一步地，S00步骤中，当SPAD未被光子触发时，不产生电流，此时电阻两端电压为0，SPAD两端电压等于偏置电压；当SPAD被光子触发时，产生短暂电流，此时电阻两端电压达到峰值电压，SPAD两端电压等于击穿电压，使得峰值电压与击穿电压之和等于偏置电压。

进一步地，S20步骤中，设定值范围为SPAD在最佳工作条件下的偏置电压的±105~110%。

进一步地，S40步骤中，单次补偿的电压为SPAD在最佳工作条件下的偏置电压的5~10%。

进一步地，S00~S50步骤形成的计算机程序集成于芯片内部。

进一步地，S40步骤中，通过调节直流电压控制器的输出电压实现补偿操作。

第二方面，本申请提供了一种用于自动调节SPAD偏置电压的装置，包括：

ADC采样模块，用于在SPAD阳极端采集电压数据；

数字处理系统，用于执行上述的一种用于自动调节SPAD偏置电压的方法；

DCDC电压控制模块，用于控制SPAD的电压。

第三方面，本申请提供了一种电子装置，包括存储器和处理器，存储器中存储有计算机程序，处理器被设置为运行计算机程序以执行上述的用于自动调节SPAD偏置电压的方法。

第四方面，本申请提供了一种可读存储介质，可读存储介质中存储有计算机程序，计算机程序包括用于控制过程以执行过程的程序代码，过程包括根据上述的用于自动调节SPAD偏置电压的方法。

本发明的主要贡献和创新点如下：1、与现有技术相比，本申请直接作用于独立的SPAD，只监测和调节Vex，和外部环境温度无关，更与SPAD的VBV无关。不同芯片的SPAD固然会存在差异，但只要保持Vex在相同的范围内，其工作性能还是一致的。且同芯片上同结构的SPAD在VBV上基本无太大差别（一颗芯片上有256个SPAD），而芯片间SPAD可能会由于工艺问题存在VBV上的差异，如此本申请具有能够实时控制SPAD偏置电压，使其不受环境影响，保证其工作性能稳定的优点。

2、与现有技术相比，本申请集成在芯片内部进行调节控制，减少了人工成本，同时具有调节精度高的优点。如此可以解决在供给SPAD的偏置电压一定时，由于击穿电压（VBV）会随温度变化导致Vex变化（温度每升高10度，VBV升高约60mV），进而对SPAD工作性能造成影响的问题。

本申请的一个或多个实施例的细节在以下附图和描述中提出，以使本申请的其他特征、目的和优点更加简明易懂。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是根据本申请实施例的用于自动调节SPAD偏置电压的方法的流程图一；

图2是根据本申请实施例的用于自动调节SPAD偏置电压的装置的结构图；

图3是根据本申请实施例的电子装置的硬件结构示意图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本说明书一个或多个实施例相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本说明书一个或多个实施例的一些方面相一致的装置和方法的例子。

需要说明的是：在其他实施例中并不一定按照本说明书示出和描述的顺序来执行相应方法的步骤。在一些其他实施例中，其方法所包括的步骤可以比本说明书所描述的更多或更少。此外，本说明书中所描述的单个步骤，在其他实施例中可能被分解为多个步骤进行描述；而本说明书中所描述的多个步骤，在其他实施例中也可能被合并为单个步骤进行描述。

现有技术直接在SPAD芯片附近放置温度传感器，经过后续测试标定后得出相应的电压温度补偿曲线，将其写入外部控制MCU内，根据温度传感器的读数来调节偏置电压（VHV）。由于温度传感器读取芯片温度误差较大（受传感器摆放位置和板子散热情况影响），会导致后续调节也产生较大差异；同时由于是测试标定得出的电压温度补偿曲线，步骤较为繁琐，且不同芯片的SPAD击穿电压可能不一致（同一个芯片上同种结构的SPAD击穿电压一致），难以用同一曲线来补偿所有芯片。

基于此，本发明基于SPAD被光子触发后产生的脉冲信号的峰值电压来解决现有技术存在的问题。

实施例一

具体地，本申请实施例提供了一种用于自动调节SPAD偏置电压的方法，具体地，参考图1-图2所示，所述方法包括：

S00、实时监测SPAD正常工作状态下被光子触发产生的脉冲信号；

其中，如图2所示，SPAD阳极端串联一猝灭电阻R（阻值很大，约为数百千欧），该猝灭电阻R远离SPAD的一端接地（猝灭电阻R为SPAD结构的一部分）。当SPAD未被光子触发时，不产生电流，此时电阻两端电压为0，SPAD两端电压等于偏置电压VHV；当SPAD被光子触发时，产生短暂电流I，此时电阻两端电压达到峰值电压Vmax=IR，SPAD两端电压等于击穿电压VBV，使得峰值电压Vmax与击穿电压VBV之和等于偏置电压VHV。如此，这个脉冲的峰值VPP（Vmax）与Vex是基本相等的，因此可以用此作为判断标准。

S10、对脉冲信号的峰值进行采样，得到峰值电压；

S20、将峰值电压与设定值范围比较，该设定值范围根据SPAD在最佳工作条件下的偏置电压与击穿电压之差Vex设定；

其中，设定值范围为SPAD在最佳工作条件下的偏置电压的±105~110%。如本实施例采用的最佳偏置电压为2V，因此设定值范围为[1.9，2.1]V；

S30、若峰值电压大于设定值范围的最大值，则判定为偏置电压过大；若峰值电压处于设定值范围内，则判定为偏置电压合适并结束；若峰值电压小于设定值的最小值，则判定为偏置电压过小；

当电压大于2.1V时，判断A和B都为真（1），表示电压过大；当电压小于1.9V时，判断A和B都为假（0），表示电压过小；当电压在1.9V-2.1V之间时，判断A为假（0），判断B为真（1），表示电压适中或称为合适。

S40、根据S30步骤的比较结果，将判定为偏置电压过大和偏置电压过小的结果进行补偿；

其中，单次补偿的电压VHV为SPAD在最佳工作条件下的偏置电压的5~10%。通过调节直流电压控制器的输出电压实现补偿操作。

在本实施例中，据得到的逻辑结果，调节VHV电压值。若电压过大，则在原有基础上下降0.2V；若电压过小，则在原有基础上增加0.2V；电压适中则不变。

S50、循环S00~S40步骤，直至峰值电压处于设定值范围内并结束。

上述S00~S50步骤形成的计算机程序集成于芯片内部。

实施例二

基于相同的构思，如图2所示，本申请还提出了一种用于自动调节SPAD偏置电压的装置，包括：

ADC采样模块，用于在SPAD阳极端采集电压数据；

数字处理系统，用于执行实施例一的一种用于自动调节SPAD偏置电压的方法；

DCDC电压控制模块，用于控制SPAD的电压。

实施例三

本实施例还提供了一种电子装置，参考图3，包括存储器404和处理器402，该存储器404中存储有计算机程序，该处理器402被设置为运行计算机程序以执行上述任一项方法实施例中的步骤。

具体地，上述处理器402可以包括中央处理器（CPU），或者特定集成电路（ApplicationSpecificIntegratedCircuit，简称为ASIC），或者可以被配置成实施本申请实施例的一个或多个集成电路。

其中，存储器404可以包括用于数据或指令的大容量存储器404。举例来说而非限制，存储器404可包括硬盘驱动器（HardDiskDrive，简称为HDD）、软盘驱动器、固态驱动器（SolidStateDrive，简称为SSD）、闪存、光盘、磁光盘、磁带或通用串行总线（UniversalSerialBus，简称为USB）驱动器或者两个或更多个以上这些的组合。在合适的情况下，存储器404可包括可移除或不可移除（或固定）的介质。在合适的情况下，存储器404可在数据处理装置的内部或外部。在特定实施例中，存储器404是非易失性（Non-Volatile）存储器。在特定实施例中，存储器404包括只读存储器（Read-OnlyMemory，简称为ROM）和随机存取存储器（RandomAccessMemory，简称为RAM）。在合适的情况下，该ROM可以是掩模编程的ROM、可编程ROM（ProgrammableRead-OnlyMemory，简称为PROM）、可擦除PROM（ErasableProgrammableRead-OnlyMemory，简称为EPROM）、电可擦除PROM（ElectricallyErasableProgrammableRead-OnlyMemory，简称为EEPROM）、电可改写ROM（ElectricallyAlterableRead-OnlyMemory，简称为EAROM）或闪存（FLASH）或者两个或更多个以上这些的组合。在合适的情况下，该RAM可以是静态随机存取存储器（StaticRandom-AccessMemory，简称为SRAM）或动态随机存取存储器（DynamicRandomAccessMemory，简称为DRAM），其中，DRAM可以是快速页模式动态随机存取存储器404（FastPageModeDynamicRandomAccessMemory，简称为FPMDRAM）、扩展数据输出动态随机存取存储器（ExtendedDateOutDynamicRandomAccessMemory，简称为EDODRAM）、同步动态随机存取内存（SynchronousDynamicRandom-AccessMemory，简称SDRAM）等。

存储器404可以用来存储或者缓存需要处理和/或通信使用的各种数据文件，以及处理器402所执行的可能的计算机程序指令。

处理器402通过读取并执行存储器404中存储的计算机程序指令，以实现上述实施例中的任意一种用于自动调节SPAD偏置电压的方法。

可选地，上述电子装置还可以包括传输设备406以及输入输出设备408，其中，该传输设备406和上述处理器402连接，该输入输出设备408和上述处理器402连接。

传输设备406可以用来经由一个网络接收或者发送数据。上述的网络具体实例可包括电子装置的通信供应商提供的有线或无线网络。在一个实例中，传输设备包括一个网络适配器（Network Interface Controller，简称为NIC），其可通过基站与其他网络设备相连从而可与互联网进行通讯。在一个实例中，传输设备406可以为射频（Radio Frequency，简称为RF）模块，其用于通过无线方式与互联网进行通讯。

输入输出设备408用于输入或输出信息。在本实施例中，输入的信息可以是查看指令等，输出的信息可以是调节结果等。

实施例四

本实施例还提供了一种可读存储介质，可读存储介质中存储有计算机程序，计算机程序包括用于控制过程以执行过程的程序代码，过程包括根据实施例一的用于自动调节SPAD偏置电压的方法。

需要说明的是，本实施例中的具体示例可以参考上述实施例及可选实施方式中所描述的示例，本实施例在此不再赘述。

通常，各种实施例可以以硬件或专用电路、软件、逻辑或其任何组合来实现。本发明的一些方面可以以硬件来实现，而其他方面可以由控制器、微处理器或其他计算设备执行的固件或软件来实现，但是本发明不限于此。尽管本发明的各个方面可以被示出和描述为框图、流程图或使用一些其他图形表示，但是应当理解，作为非限制性示例，本文中描述的这些框、装置、系统、技术或方法可以以硬件、软件、固件、专用电路或逻辑、通用硬件或控制器或其他计算设备或其某种组合来实现。

本发明的实施例可以由计算机软件来实现，该计算机软件由移动设备的数据处理器诸如在处理器实体中可执行，或者由硬件来实现，或者由软件和硬件的组合来实现。包括软件例程、小程序和/或宏的计算机软件或程序(也称为程序产品)可以存储在任何装置可读数据存储介质中，并且它们包括用于执行特定任务的程序指令。计算机程序产品可以包括当程序运行时被配置为执行实施例的一个或多个计算机可执行组件。一个或多个计算机可执行组件可以是至少一个软件代码或其一部分。另外，在这一点上，应当注意，如图中的逻辑流程的任何框可以表示程序步骤、或者互连的逻辑电路、框和功能、或者程序步骤和逻辑电路、框和功能的组合。软件可以存储在诸如存储器芯片或在处理器内实现的存储块等物理介质、诸如硬盘或软盘等磁性介质、以及诸如例如DVD及其数据变体、CD等光学介质上。物理介质是非瞬态介质。

本领域的技术人员应该明白，以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种用于自动调节SPAD偏置电压的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S00、实时监测SPAD正常工作状态下被光子触发产生的脉冲信号；

S10、对所述脉冲信号的峰值进行采样，得到峰值电压；

S20、将所述峰值电压与设定值范围比较，该设定值范围根据所述SPAD在最佳工作条件下的偏置电压与击穿电压之差Vex设定；

S30、若所述峰值电压大于所述设定值范围的最大值，则判定为偏置电压过大；若所述峰值电压处于所述设定值范围内，则判定为偏置电压合适并结束；若所述峰值电压小于所述设定值的最小值，则判定为偏置电压过小；

S40、根据S30步骤的比较结果，将判定为偏置电压过大和偏置电压过小的结果进行补偿；

S50、循环S00~S40步骤，直至所述峰值电压处于所述设定值范围内并结束。

2.如权利要求1所述的一种用于自动调节SPAD偏置电压的方法，其特征在于，S00步骤中，SPAD阳极端串联有一猝灭电阻，该猝灭电阻远离SPAD的一端接地。

3.如权利要求2所述的一种用于自动调节SPAD偏置电压的方法，其特征在于，S00步骤中，当SPAD未被光子触发时，不产生电流，此时电阻两端电压为0，SPAD两端电压等于偏置电压；当SPAD被光子触发时，产生短暂电流，此时电阻两端电压达到峰值电压，SPAD两端电压等于击穿电压，使得峰值电压与击穿电压之和等于偏置电压。

4.如权利要求1所述的一种用于自动调节SPAD偏置电压的方法，其特征在于，S20步骤中，所述设定值范围为所述SPAD在最佳工作条件下的偏置电压的±105~110%。

5.如权利要求1所述的一种用于自动调节SPAD偏置电压的方法，其特征在于，S40步骤中，单次补偿的电压为所述SPAD在最佳工作条件下的偏置电压的5~10%。

6.如权利要求1所述的一种用于自动调节SPAD偏置电压的方法，其特征在于，S00~S50步骤形成的计算机程序集成于SPAD集成芯片内部。

7.如权利要求1-6任意一项所述的一种用于自动调节SPAD偏置电压的方法，其特征在于，S40步骤中，通过调节直流电压控制器的输出电压实现补偿操作。

8.一种用于自动调节SPAD偏置电压的装置，其特征在于，包括：

ADC采样模块，用于在SPAD阳极端采集电压数据；

数字处理系统，用于执行权利要求1-7任意一项所述的一种用于自动调节SPAD偏置电压的方法；

DCDC电压控制模块，用于控制SPAD的电压。

9.一种电子装置，包括存储器和处理器，其特征在于，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器被设置为运行所述计算机程序以执行权利要求1至7任一项所述的用于自动调节SPAD偏置电压的方法。

10.一种可读存储介质，其特征在于，所述可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序包括用于控制过程以执行过程的程序代码，所述过程包括根据权利要求1至7任一项所述的用于自动调节SPAD偏置电压的方法。

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