CN209820630U - 信号处理电路和包括该信号处理电路的光电探测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了信号处理电路和包括该信号处理电路的光电探测系统，该信号处理电路包括：第一级运算放大器，其包括与光电探测器阵列中的至少一组光电探测器对应的至少一个第一运算放大器；无源装置，所述光电探测器阵列中的每一组所述光电探测器通过其耦合至对应的所述第一运算放大器的同一个输入端；第一滤波装置，其与所述第一级运算放大器的输出端连接，并且包括二极管或者由电阻和电容并联构成的滤波电路。通过本实用新型提供的技术方案，可以增大电信号的幅值，降低电信号的噪声，还可以改善电信号的恢复时间。

Description

信号处理电路和包括该信号处理电路的光电探测系统

技术领域

本实用新型涉及集成电路领域，特别涉及一种信号处理电路和包括该信号处理电路的光电探测系统。

背景技术

本部分的描述仅提供与本实用新型公开相关的背景信息，而不构成现有技术。

光电探测器阵列可以广泛地应用于辐射探测、医学成像等领域，其通常为由多个光电探测器并联排列而成的阵列式探测结构，其中的每个光电探测器都可以探测光子并且产生对应的电信号。通过光电探测器输出的电信号，可以确定出探测到的光子所在位置以及数量。

为了能够获得更高幅值的电信号，现有技术中通常是对光电探测器阵列中的所有光电探测器输出的电信号进行叠加处理。为了实现对光电探测器阵列中的所有光电探测器输出的电信号的幅值叠加，现有技术通常通过以下两种方法来实现：(1)将所有光电探测器的输出端直接并联；(2)通过采用模拟加法器的方法来实现，该方法的基本原理如下：将每个光电探测器通过一个串联电阻连接至运算放大器的同一个输入端，利用运算放大器的功能实现所有的光电探测器输出的电信号的幅值叠加。

然而，针对上述第一种方法，由于光电探测器阵列中的每个光电探测器内部都具有一定的电阻和电容，并且每个光电探测器之间并不是相互隔离的，因而光电探测器之间可能会产生相互干扰，从而可能会削弱光电探测器输出的电信号的幅值叠加效果，而且输出的电信号的噪声比较大。针对上述第二种方法，虽然采用模拟加法器的方法可以实现较高的信号幅值，但由于光电探测器本身的噪声并不能被运算放大器滤除，并且运算放大器也会引入额外的噪声，因此，所输出的电信号的噪声比较大，从而可能会影响系统的信噪比。

此外，单个光电探测器输出的电信号的恢复时间(即，相邻的波峰与波谷之间的宽度) 可能在几百纳秒左右。考虑到光电探测器在光电探测器阵列上的二维分布以及光子的离散性特点，与单个光电探测器相比，光电探测器阵列输出的电信号的恢复时间会更长，例如采用上述第二种方法输出的电信号的恢复时间有几微秒或更长。较长的恢复时间意味着更长的死时间，这可能会弱化光电探测器阵列的探测性能。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供信号处理电路和包括该信号处理电路的光电探测系统，以解决现有技术中存在的至少一种技术问题。

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种信号处理电路，该信号处理电路可以包括：

第一级运算放大器，其被配置为对所述光电探测器阵列输出的电信号的幅值进行叠加处理，并且包括与所述光电探测器阵列中的至少一组光电探测器对应的至少一个第一运算放大器；

无源装置，所述光电探测器阵列中的每一组所述光电探测器通过其耦合至对应的所述第一运算放大器的同一个输入端；

第一滤波装置，其与所述第一级运算放大器的输出端连接以对所述第一级运算放大器输出的电信号进行滤波处理，并且包括二极管或者由电阻和电容并联构成的滤波电路。

可选地，所述同一个输入端包括所述第一运算放大器的反相输入端。

可选地，所述无源装置包括与所述光电探测器对应的电阻或二极管。

可选地，当所述第一级运算放大器包括多个所述第一运算放大器且所述第一滤波装置包括一个所述二极管时，多个所述第一运算放大器的输出端与一个所述二极管的阳极或阴极并联。

可选地，当所述第一级运算放大器包括多个所述第一运算放大器且所述第一滤波装置包括多个所述二极管时，每个所述第一运算放大器的输出端均与对应的所述二极管的阳极或阴极串联。

可选地，当所述第一运算放大器的输出信号为负信号时，所述二极管的阴极与所述第一运算放大器的输出端连接；当所述第一运算放大器的输出信号为正信号时，所述二极管的阳极与所述第一运算放大器的输出端连接。

可选地，当所述第一滤波装置包括所述滤波电路时，所述第一滤波装置还包括设置在所述滤波电路的输入端与所述第一级运算放大器的输出端之间的另一电阻。

可选地，当所述第一滤波装置包括一个所述另一电阻时，所述第一级运算放大器中的多个第一运算放大器的输出端与所述另一电阻的一端并联，并且所述另一电阻的另一端与所述滤波电路的输入端串联。

可选地，当所述第一滤波装置包括多个所述另一电阻时，所述第一级运算放大器中的每个第一运算放大器的输出端均与对应的所述另一电阻的一端串联，并且多个所述另一电阻的另一端与所述滤波电路并联。

可选地，该信号处理电路还包括：

第二级运算放大器，其输入端通过所述第一滤波装置耦合至所述第一级运算放大器的输出端以对所述第一级运算放大器输出的电信号的幅值进行叠加处理。

可选地，该信号处理电路还包括：

第二滤波装置，其与所述第二级运算放大器的输出端连接，并且包括二极管或者由电阻和电容并联构成的滤波电路。

可选地，该信号处理电路还包括：

第三级运算放大器至第N级运算放大器，所述第三级运算放大器至所述第N级运算放大器中的每一级运算放大器的输入端通过对应的滤波装置耦合至其上一级运算放大器的输出端，其中，N为大于1的正整数。

本实用新型还提供了一种光电探测系统，该光电探测系统包括上述信号处理电路以及含有至少一组光电探测器的光电探测器阵列，其中，所述信号处理电路被配置为对至少一组所述光电探测器输出的电信号进行叠加处理并向外部输出处理后的电信号，并且每组所述光电探测器包括相互并联的至少一个光电探测器。

可选地，所述光电探测器包括单光子雪崩二极管、光电倍增管或硅光电倍增器。

可选地，在所述光电探测器阵列中，至少一组所述光电探测器按照象限、行或列的形式排布。

由以上本实用新型提供的技术方案可见，本实用新型通过利用第一级运算放大器对光电探测器阵列输出的电信号的幅值进行叠加处理，利用第一滤波装置对第一级运算放大器输出的电信号进行滤波处理，这不仅可以增大电信号的幅值，也可以降低电信号的噪声。另外，通过将第一滤波装置设置为二极管或由电阻和电容构成的滤波电路，这可以改善电信号的恢复时间。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型提供的一种信号处理电路的结构示意图；

图2是第一滤波装置为二极管时的信号处理电路的结构示意图；

图3是第一滤波装置为滤波电路时的信号处理电路的结构示意图；

图4是无源装置为电阻时的信号处理电路的结构示意图；

图5是无源装置为二极管时的信号处理电路的结构示意图；

图6是本实用新型提供的另一种信号处理电路的结构示意图；

图7是本实用新型提供的另一种信号处理电路的结构示意图；

图8是本实用新型提供的另一种信号处理电路的结构示意图；

图9是本实用新型提供的再一种信号处理电路的结构示意图；

图10是本实用新型提供的又一种信号处理电路的结构示意图；

图11是光电探测器阵列中的光电探测器的一种排布示意图；

图12是光电探测器阵列中的光电探测器的另一种排布示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型中的附图，对本实用新型中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是用于解释说明本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例，并不希望限制本实用新型的范围或权利要求书。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。

需要说明的是，当元件被称为“设置在”另一个元件上，它可以直接设置在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当元件被称为“连接/耦合”至另一个元件，它可以是直接连接/耦合至另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“连接/耦合”可以包括电气和/或机械物理连接/耦合。本文所使用的术语“包括/包含”指特征、步骤或元件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、步骤或元件的存在或添加。本文所使用的术语“和 /或”包括一个或多个相关所列项目的任意的和所有的组合。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的术语只是为了描述具体实施例的目的，而并不是旨在限制本实用新型。

另外，在本实用新型的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的和区别类似的对象，两者之间并不存在先后顺序，也不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

下面结合附图对本实用新型提供的信号处理电路和包括该信号处理电路的光电探测系统进行详细的描述。

如图1所示，本实用新型提供了一种用于光电探测器阵列1000的信号处理电路2000。该信号处理电路2000可以包括：

第一级运算放大器200，其被配置为对光电探测器阵列1000输出的电信号的幅值进行叠加处理，并且可以包括与光电探测器阵列1000中的至少一组光电探测器100对应的至少一个第一运算放大器210；

无源装置300，光电探测器阵列1000中的每一组光电探测器100通过其耦合至对应的一个第一运算放大器210的同一个输入端；

第一滤波装置400，其与第一级运算放大器200的输出端连接以对第一级运算放大器200 输出的电信号进行滤波处理，并且可以包括二极管D1或者由电阻R1和电容C1并联构成的滤波电路，如图2至图3所示。

第一运算放大器210的数量可以根据光电探测器110的分组数量来确定，每个第一运算放大器210均可以与一个或多个光电探测器110直接耦合或者通过无源装置300与光电探测器 110间接耦合以对光电探测器110输出的电信号的幅值进行叠加处理。而且，每个第一运算放大器210均可以包括至少一个输入端(例如，同相输入端和反相输入端)和输出端，其与光电探测器110耦合的输入端优选地为反相输入端，这可以使得所输出的电信号获得较好的时间特性，例如，恢复时间较短等。另外，当仅存在一个第一运算放大器210时，该第一运算放大器210的输出端串联至第一滤波装置400；当存在多个第一运算放大器210时，这些第一运算放大器210的输出端并联至第一滤波装置400。

通过采用包括至少一个第一运算放大器210的第一级运算放大器200，可以起到隔离的作用，即，第一级运算放大器200的输出信号对其他输入信号基本没有干扰，从而可以避免第一级运算放大器200的输出信号对输入信号造成影响。

无源装置300可以包括与光电探测器110对应的无源器件310，例如，电阻R0或二极管D0，如图4至图5所示。其中，二极管D0可以将每个光电探测器110隔离开，避免多个光电探测器 110之间的电容和电阻的相互影响，从而可以使得光电探测器110所输出的电信号具有更好的时间特性。另外，针对不同的光电探测器110，其所对应的电阻R0或二极管D0可以相同或不同，具体可以根据实际情况来设置，在此并不限制。

在一实施例中，当第一级运算放大器200包括多个第一运算放大器210且第一滤波装置 400包括一个二极管D1时，多个第一运算放大器210的输出端与该二极管D1的阳极或阴极并联，如图2所示。当第一级运算放大器200包括多个第一运算放大器210且第一滤波装置 400包括多个二极管D1时，每个第一运算放大器210的输出端均与对应的二极管D1的阳极或阴极串联，并且多个二极管D1的阴极或阳极并联以向外部输出滤波后的电信号，如图6所示。

需要说明的是，当第一滤波装置400为二极管D1时，二极管D1的连接方式应遵循以下原则：若第一级运算放大器200输出的电信号为负信号，则二极管D1的阴极与第一级运算放大器200的输出端(具体地，各个第一运算放大器210的输出端)连接；若第一级运算放大器200 输出的电信号为正信号，则二极管D1的阳极与第一级运算放大器200的输出端连接。

在另一实施例中，当第一滤波装置400包括由电阻R1和电容C1并联构成的滤波电路时，第一滤波装置400还可以包括设置在该滤波电路的输入端与第一级运算放大器200的输出端之间的另一电阻R2。而且，当电阻R2为一个时，其一端与第一级运算放大器200中的多个第一运算放大器210的输出端与并联，并且其另一端与滤波电路的输入端串联，如图7所示。当电阻R2为多个时，每个电阻R2的一端与第一级运算放大器200中的对应的第一运算放大器210 的输出端串联，并且多个电阻R2的另一端与滤波电路并联，如图8所示。

通过在滤波电路与第一级运算放大器200之间设置另一电阻R2，可以实现对第一级运算放大器200输出的电信号的幅值大小的调节。通过设置滤波电路，可以改善第一级运算放大器200输出的电信号的噪声和恢复时间。

在另一实施例中，如图9所示，该信号处理电路2000还可以包括第二级运算放大器500，其输入端通过第一滤波装置400耦合至第一级运算放大器200的输出端，以对第一级运算放大器200输出的电信号的幅值进行叠加处理。第二级运算放大器500可以包括至少一个第二运算放大器，每个第二运算放大器的输入端均可以通过第一滤波装置400耦合至多个第一运算放大器210的输出端，以对多个第一运算放大器210输出的电信号的幅值进行叠加处理。

通过第二级运算放大器500可以实现对第一级运算放大器200输出的电信号的幅值进行叠加处理，从而可以进一步提高所输出的电信号的幅值。

另外，需要说明的是，虽然附图中仅示出了一个第二运算放大器，但第二运算放大器的数量不限于此，其也可以是多个，具体数量可以根据实际需要来设置。

在另一实施例中，如图10所示，该信号处理电路2000还可以包括第二滤波装置600，其与第二级运算放大器500的输出端连接，以对第二级运算放大器500输出的电信号进行滤波处理，从而可以滤除第二级运算放大器500所产生的噪声以及其它噪声，这进一步降低了所输出的电信号中的噪声。第二滤波装置600也可以包括二极管或者由电阻和电容并联构成的滤波电路。

另外，如有需要，该信号处理电路2000也还可以包括更多级运算放大器，例如，第三级运算放大器至第N级运算放大器(图中未示出)，这些运算放大器中的每一级运算放大器的输入端也可以通过对应的滤波装置耦合至其上一级运算放大器的输出端以对其上一级运算放大器输出的电信号的幅值进行叠加处理。其中，N为大于1的正整数。

关于这些运算放大器和滤波装置的详细描述，也可以参照上述对第一级运算放大器和第一滤波装置的描述，在此不再赘叙。

另外，在上述实施例中，D0、D1等二极管可以为肖特基二极管，其可以改善输出的电信号的恢复时间，但不限于该种二极管。

此外，本实用新型提供的信号处理电路可以是读出电路，也可以是其它的电路，在此并不限制。

通过上述描述可以看出，本实用新型通过利用第一级运算放大器对光电探测器阵列输出的电信号的幅值进行叠加处理，利用第一滤波装置对第一级运算放大器输出的电信号进行滤波处理，这不仅可以增大电信号的幅值，也可以降低电信号的噪声。另外，通过将第一滤波装置设置为二极管或由电阻和电容构成的滤波电路，这可以改善电信号的恢复时间。

本实用新型还提供了一种光电探测系统，其可以包括相互连接的光电探测器阵列1000和信号处理电路2000。其中，该光电探测器阵列1000可以包括至少一组光电探测器100，每组光电探测器100可以包括至少一个光电探测器110，并且每组光电探测器100中的光电探测器 110的数量可以相同或不同。每个光电探测器110均可以是具有倍增效应的探测器件，例如，单光子雪崩二极管(Single Photon Avalanche Diode，以下简称SPAD)、光电倍增管 (Photomultiplier，以下简称PMT)或硅光电倍增器(Silicon Photomultiplier，以下简称SiPM) 等，也可以是其它的探测器件，在此并不进行限制。另外，在光电探测器阵列1000中，至少一组光电探测器100可以按照象限、行或列的形式排布，如图11和图12所示，从而可以实现对不同范围内的目标对象的探测。该信号处理电路2000可以用于光电探测器阵列1000中的每组光电探测器100输出的电信号进行叠加处理并向外部输出处理后的电信号。

上述实施例阐明的系统、装置、模块、单元等，具体可以由半导体芯片和/或实体实现，或者由具有某种功能的产品来实现。为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种单元分别描述。当然，在实施本实用新型时可以把各单元的功能集成在同一个或多个半导体芯片中实现。

虽然本实用新型提供了如上述实施例或附图所述的部件，但基于常规或者无需创造性的劳动在所述装置中可以包括更多或者更少的部件。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处。

上述实施例是为便于该技术领域的普通技术人员能够理解和使用本实用新型而描述的。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其它实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本实用新型不限于上述实施例，本领域技术人员根据本实用新型的揭示，不脱离本实用新型范畴所做出的改进和修改都应该在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种信号处理电路，其特征在于，该信号处理电路包括：

第一级运算放大器，其包括与光电探测器阵列中的至少一组光电探测器对应的至少一个第一运算放大器；

无源装置，所述光电探测器阵列中的每一组所述光电探测器通过所述无源装置耦合至对应的所述第一运算放大器的同一个输入端；

第一滤波装置，其与所述第一级运算放大器的输出端连接，并且包括二极管或者由电阻和电容并联构成的滤波电路。

2.根据权利要求1所述的信号处理电路，其特征在于，所述无源装置包括与所述光电探测器对应的电阻或二极管。

3.根据权利要求1所述的信号处理电路，其特征在于，当所述第一级运算放大器包括多个所述第一运算放大器且所述第一滤波装置包括一个所述二极管时，多个所述第一运算放大器的输出端与一个所述二极管的阳极或阴极并联；当所述第一级运算放大器包括多个所述第一运算放大器且所述第一滤波装置包括多个所述二极管时，每个所述第一运算放大器的输出端均与对应的所述二极管的阳极或阴极串联。

4.根据权利要求3所述的信号处理电路，其特征在于，当所述第一运算放大器的输出信号为负信号时，所述二极管的阴极与所述第一运算放大器的输出端连接；当所述第一运算放大器的输出信号为正信号时，所述二极管的阳极与所述第一运算放大器的输出端连接。

5.根据权利要求1所述的信号处理电路，其特征在于，当所述第一滤波装置包括所述滤波电路时，所述第一滤波装置还包括设置在所述滤波电路的输入端与所述第一级运算放大器的输出端之间的另一电阻。

6.根据权利要求5所述的信号处理电路，其特征在于，当所述第一滤波装置包括一个所述另一电阻时，所述第一级运算放大器中的多个第一运算放大器的输出端与所述另一电阻的一端并联，并且所述另一电阻的另一端与所述滤波电路的输入端串联；当所述第一滤波装置包括多个所述另一电阻时，所述第一级运算放大器中的每个第一运算放大器的输出端均与对应的所述另一电阻的一端串联，并且多个所述另一电阻的另一端与所述滤波电路并联。

7.根据权利要求1所述的信号处理电路，其特征在于，该信号处理电路还包括：

第二级运算放大器，其输入端通过所述第一滤波装置耦合至所述第一级运算放大器的输出端以对所述第一级运算放大器输出的电信号的幅值进行叠加处理。

8.根据权利要求7所述的信号处理电路，其特征在于，该信号处理电路还包括：

第二滤波装置，其与所述第二级运算放大器的输出端连接，并且包括二极管或者由电阻和电容并联构成的滤波电路。

9.一种光电探测系统，其特征在于，该光电探测系统包括权利要求1-8中任一项所述的信号处理电路以及含有至少一组光电探测器的光电探测器阵列，其中，每组所述光电探测器包括相互并联的至少一个光电探测器。

10.根据权利要求9所述的光电探测系统，其特征在于，所述光电探测器包括单光子雪崩二极管、光电倍增管或硅光电倍增器。