[发明专利]一种针对高密度SPAD阵列级模拟信号的读出电路和读出方法

权利要求书

1.一种针对高密度SPAD阵列级模拟信号的读出电路的读出方法，其特征在于分为以下几个阶段：

(1)在整个阵列信号读出之前，像素单元电路先进行曝光探测光子，首先对所有的像素单元进行整体复位，全局复位信号RESA由外部电路给信号输入一个高电平脉冲，使计数器的计数值清零，然后曝光一段时间，全局曝光信号EXPO输入一段时间的高电平，这时淬灭电路给单光子雪崩二极管SPAD加上足够的反偏电压，单光子雪崩二极管SPAD开始探测光子产生雪崩电流，淬灭电路对其淬灭并输出窄脉冲给计数电路，像素单元电路开始工作，将光子探测的数量转换成计数电容上的电压信号，曝光结束后，计数电路内的计数电压保持不变，等待外部电路读出；

(2)阵列读出电路开始工作，先进行并行读出，行地址译码器实现对整个阵列的每一行进行选通，使像素单元的输出选通开关导通，并且与行局部复位控制电路配合进行局部复位，行地址译码器先选通第一行，第一行的所有像素单元中的输出选通被打开，计数电容的电压信号通过缓冲器接入行信号总线通向多路选择器，每八列像素单元通过一个多路选择器共用一个相关双采样电路，这时所用的多路选择器同时工作，多路选择器与3-8地址译码器接相同的选通信号，其作用是可以将其8个输入信号串行输出，从而达到每8列共用一个双相关采样电路来节约面积，每个多路选择器将其第一列的信号首先送入相关双采样，当第一列通信结束其他列依次也接入相关双采样，直到第八列结束；

(3)相关双采样进行信号处理，消除噪声，它由相关双采样第一次对计数信号进行采样，然后由复位控制电路对单元中的计数电路复位，相关双采样第二次对复位后的电压进行采样，最后输出两个电压的差值，得到纯净的光子信号；

(4)回到多路选择器刚开始工作的状态，当所有的多路选择器选中第一列时，整个阵列共用一个3-8地址译码器模块，用于配合多路选择器进行局部复位，行局部复位控制电路由组合逻辑门电路组成，输入端为行地址译码器的输出、局部复位信号线和全局复位信号线，当全局复位信号为高时，输出为高；当全局复位信号为低时，输出为局部复位信号和行地址输出信号与值，这样可以方便的实现行局部复位，这时3-8地址译码器也选中每一行的第一列的复位控制端，相关双采样对输入信号即像素单元的计数电压信号进行采样，然后局部复位信号使能，输入到行局部复位控制电路，这时第一行所有行所有像素单元都接收到局部复位信号，但是只有3-8译码器选中的单元即多路选择器选通的单元进行复位，复位结束后，相关双采样再次进行采样复位后的信号，并输出其差值，所有的相关双采样同时输出信号，再次输出到一个高速多路选择器，将信号依次输出给ADC处理；

所述的针对高密度单光子雪崩二极管SPAD阵列级模拟信号的读出电路包含格雷码发生器、3-8地址译码器、行地址译码器、行局部复位控制电路、多路选择器、相关双采样、模数转换器、时钟模块和若干像素单元，时钟模块给格雷码发生器提供时钟信号，格雷码发生器为行地址译码器、3-8地址译码器、多路选择器提供计数信号，行地址译码器通过格雷码控制，可以输出选通某一行并对其进行操作，全局复位信号、局部复位信号和行地址译码器输出端接在行局部复位控制电路，其输出接到每一行像素单元的复位控制模块上，多路选择器用来将其输入的8列信号依次选择输出到相关双采样电路，由格雷码发生器提供3位的选通信号，所有的多路选择器控制信号都相同，多路选择器将整个阵列按列分成若干个组，每组8列连接到多路选择器的输入端，可以达到共用相关双采样的目的，3-8地址译码器第一个输出端连接到每个组的第一列，第二个输出端连接到每个组的第二列，在全局复位时3-8地址译码器为全选状态，在读出时与多路选择器接相同的控制信号，与行局部复位控制电路配合可以进行局部复位。

2.根据权利要求1所述的一种针对高密度SPAD阵列级模拟信号的读出电路的读出方法，其特征在于，所述模数转换器和时钟模块可以在芯片外使用现成的模块。

3.根据权利要求1所述的一种针对高密度SPAD阵列级模拟信号的读出电路的读出方法，其特征在于，所述行局部复位控制电路由与门和或门组成，当全局复位信号RESA为高时输出为高，局部复位信号和行地址译码器输出信号相与输出。

4.根据权利要求1所述的一种针对高密度SPAD阵列级模拟信号的读出电路的读出方法，其特征在于相关双采样电路由运算放大器和开关电容电路组成，对信号采样两次输出其差值，达到消除噪声的目的。