[发明专利]一种基于脉冲上升沿触发的电荷转移型模拟计数读出电路

权利要求书

1.一种基于脉冲上升沿触发的电荷转移型模拟计数读出电路，其特征在于，所述电路包括13只MOSFET晶体管和一个积分电容、一个寄生电容，所述的13只MOSFET晶体管包括9只PMOS晶体管MP1～MP9和4只NMOS晶体管MN1～MN4，其中MP1和MP2分别为电荷注入开关和电荷转移开关，控制电荷包的产生和转移；寄生电容Cgd用于将输入雪崩脉冲信号耦合到MP1的漏极；MP4和MN1组成复位电路，实现对积分电容存储的电荷放电，MP6、MP7、MP8、MN2、MN3和MN4组成一个单位增益放大器，将积分电容上的电压复制到和积分电容C相连接的晶体管的源极，漏极和衬底上，MP3是源极跟随晶体管，MP5是其负载，MP9是行选择晶体管，通过MP3和MP9将积分电容上与输入光子雪崩脉冲个数成线性关系的电压读出到外部的列接口电路上，MP1的栅极接输入信号In，MP1的漏极接MP2的源极，MP2的漏极和MP4的源极共同接积分电容C的上极板，积分电容C的下极板接地，寄生电容Cgd跨接在MP1的栅极和漏极之间，MP4的栅极接复位反信号NRST，MN1的栅极接复位信号RST,MN1的源极接复位电压Vrst，MN1的衬底接地，MP1的源极和衬底，MP2的栅极和衬底，MP4的漏极和衬底以及MN1的漏极共同接到单位增益放大器输出端，即MP7的漏极，积分电容C的上极板接MP3的栅极和单位增益放大器输入端即MP6的栅极，MP3的源极接MP5的漏极，MP3的源级与衬底相连，MP3的漏极接地，MP5的源极接电源电压Vdd，MP5和MP8的栅极接偏置电压Vbp，MP5和MP8的源极接电源电压Vdd，MP8的漏极共同接MP6和MP7的源极，MP6的漏极共同接MN2的漏极和栅极以及MN3的栅极，MN3的漏极接MP7的漏极和栅极以及MN4的栅极，MN4的源极、漏极、衬底和MN2以及MN3的衬底均接地，MP9的栅极接行选择信号sel，MP9的源极共同接MP3的源极和MP5的漏极，MP9的漏极接输出端口Out，MP4、MP5、MP6、MP7和MP8的衬底均接电源电压Vdd；

所述模拟计数读出电路的积分电容C是金属-绝缘体-金属(MIM)电容或双层多晶硅电容或MOS电容，所述寄生电容Cgd为两层金属互连线之间的寄生电容；

所述模拟计数读出电路中的单位增益放大器将积分电容C上的电压复制后反馈到和积分电容C上极板相连接的MP4的漏极和衬底以及MP2的栅极和衬底，所述MP2和MP4的漏极、源极和衬底的电位相同；

所述模拟计数读出电路只有在输入雪崩脉冲的上升沿到来时，才通过跨接在MP1栅极和漏极之间的寄生电容Cgd产生电荷包，再通过MP2将电荷包转移到积分电容上，在输入雪崩脉冲的高电平和低电平期间均不发生电荷包的产生和转移；

模拟计数读出电路的工作过程分为复位阶段、计数阶段和电压读出阶段，包括：

(1)复位阶段：在雪崩脉冲信号In到来之前，复位信号RST为高电平且NRST为低电平，复位管MP4和MN1导通，积分电容C上的电荷通过MP4和MN1放电，当积分电容C完成放电后，复位信号RST变为低电平且NRST变为高电平，复位管MP4和MN1断开，准备进行计数操作；

(2)计数阶段：当输入雪崩脉冲信号In的上升沿到来时，输入脉冲通过跨接在MP1栅极和漏极之间的寄生电容Cgd耦合到MP1的漏极，随着MP1漏极电压的增大，MP2管迅速导通，于是一个电荷包从MP1漏极产生，然后通过MP2管转移到积分电容C上，导致积分电容C的电压线性增加了一个步长电压△V，对应一次雪崩脉冲的计数，当输入雪崩脉冲信号In在高电平期间，MP1的漏极电势开始下降，导致MP2进入亚阈值区，从而使电荷转移到积分电容C上变得十分微弱，当输入雪崩脉冲信号变为低电平期间，电路为下一个输入雪崩脉冲上升沿到来的计数做准备，在这期间，由于单位增益放大器的电压复制功能，MP1的漏极电压被钳制到和积分电容C相同的电压，这样就能够保证对于每一个雪崩脉冲的上升沿到来，耦合到PM1漏极的电荷量是相同的，而PM2的源极、漏极、栅极和衬底的电压保持相同，从而能保证对于每一个雪崩脉冲，从PM1的漏极转移到积分电容C上的电荷量是相同的，在计数阶段，积分电容C上的电压随输入雪崩脉冲的个数线性增加，当曝光时间结束后，电路进入下一个读出阶段；

(3)读出阶段：当行选择管MP9的栅极控制电压sel为低电平时，MP9管导通，积分电容C上的电压通过源极跟随器MP3，经MP9管输出到阵列接口电路上，由于每来一个雪崩信号，电容上的电压增加值为△V，因此能够通过读出积分电容C上的电压值计算得到SPAD在曝光间所探测到的光子数。