[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

说明书

本发明公开了一种针对高密度SPAD阵列级模拟信号的读出电路和读出方法。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、时钟和若干像素单元。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，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。多路选择器将其输入的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，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。本发明可以大大减小芯片面积，可以降低噪声。

技术领域

本发明涉及一种基于模拟光子计数技术的单光子雪崩二极管探测器阵列级模拟信号的读出电路和读出方法，属于光电技术领域。

背景技术

单光子雪崩二极管(Single-Photon Avalanche Diode，SPAD)探测器件具有高的灵敏度、高的时间精度分辨率，已被广泛应用于生物医学、军事和光通信等领域。SPAD器件已经与CMOS工艺兼容，为了实现单光子探测器高集成化就必须减少电路的尺寸与功耗。传统的SPAD探测器像素单元包括单光子雪崩二极管、淬灭与复位电路、数字计数电路、锁存器和相关的辅助电路，然而随着阵列的密度不断提高，由于计数范围很广，像素单元内的数字电路占用了很大面积，导致核心器件探测光子的面积比例变小，即占空比减小。模拟计数电路在高密度单光子探测领域的优势明显，其计数电路主要由电容和很少的晶体管组成，电容上的电压可以反应出计数值，这样能大大提高SPAD探测器阵列的集成度，而且可以增加读出的动态范围和减小暗计数的影响。但是由于模拟计数噪声较多，对于适用于模拟信号计数的阵列级读出电路和方法目前现有技术中还没有提出。

发明内容

本发明要解决的技术问题是降低像素单元内数字电路占用面积的比例，降低噪声，改进单光子雪崩二极管探测器阵列级模拟信号的读出。

为此目的，本发明提出一种针对高密度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、模数转换器和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。

为提高占空比，模数转换器和时钟模块可以在芯片外使用现成的模块。

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。

本发明还提出一种上述针对高密度SPAD阵列级模拟信号的读出电路的读出方法，具体包含以下几个阶段：

(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，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，EXPO输入一段时间的高电平，这时淬灭电路给SPAD加上足够的反偏电压，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；