[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

说明书

本发明公开了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。该电路包括13只MOSFET晶体管和一个积分电容，一个寄生电容。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；跨接在MP1栅极和漏极之间的寄生电容Cgd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，防止和积分电容C相连接的MOSFET晶体管漏电对积分电容电压的影响；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C上的电压读出到外部电路。模拟计数读出电路可实现高的计数范围，同时可减小SPAD阵列探测器像素单元的面积，提高SPAD阵列探测器的密度。

技术领域

本发明涉及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，属于光电技术领域。

背景技术

单光子雪崩二极管(SPAD)由于具有高灵敏度和亚秒级的时间分辨率，已开始广泛应用于生物荧光寿命成像、拉曼光谱、3D成像等技术领域。目前单光子雪崩二极管正朝着低成本、高密度、高可靠性的深亚微米CMOS工艺的阵列图像传感器的方向发展。一个SPAD阵列探测器包括众多的SPAD像素单元和外围读出和控制电路，为了提高SPAD阵列探测器的密度就必须减小SPAD像素单元的面积。每个SPAD像素单元由SPAD器件、淬灭复位电路和计数读出电路组成。传统计数电路都采用数字计数电路，工作方式简单，性能好，但结构复杂、占用面积大，导致SPAD像素单元的填充系数低。而模拟计数电路简单，可有效减小计数电路所占用的像素单元的面积。早期被提出的简单模拟计数电路对输入雪崩脉冲的脉宽敏感，需要较大的积分电容，且计数步长的均匀性差。后来提出了一种基于电荷共享的模拟计数电路，虽然不同像素单元之间的均匀性得到提高，但是计数步长的线性度很差。为了解决线性度差的问题，又提出了一种基于电平触发的电荷转移型模拟计数电路，但实现8比特的计数分辨率仍然需要350fF的积分电容，如果实现更高比特分辨率，计数电路的面积依然较大。

发明内容

本发明目的在于针对上述现有技术的不足，提出了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，该电路可以应用于SPAD阵列探测器的高分辨率模拟计数读出。该电路具有面积小、线性度高、均匀性好、计数范围大的优点，并且可以有效地解决模拟计数电路面临的问题。