[发明专利]一种应用于单光子探测器的紧凑型时间-模拟转换电路

说明书

本发明公开了一种应用于单光子探测器的紧凑型时间‑模拟转换电路，包括1个RS触发器、1个计时电容C和8个MOS管；其中MP0与MP1组成差分结构作为输入级，MN1与MP1组成互补型CMOS开关，MP0、MN1、MP1三个MOS管共同组成控制逻辑控制计时电容C的放电；MP2和MP3作为两个PMOS开关，控制计时电容C的复位操作；MN2和MN3组成源级跟随器，将计时电容C上的电压大小读出。本发明采用电容面积小，管子数量少，结构简单，达到了大幅度减小电路版图的面积的效果，提高了电路密度和集成度，有效地提高了像元的填充因子，同时还降低电路的整体功耗和制造成本低，各个电路之间的性能一致性好，成品率高。

技术领域

本发明涉及一种基于模拟定时技术测量光子飞行时间的紧凑型时间-模拟转换电路，属于单光子探测技术领域。

背景技术

单光子雪崩光电二极管(Single-Photon Avalanche Diode，SPAD)由于具有雪崩增益大、响应速度快、探测灵敏度高、成本低、功耗低等显著优势，能够获得光子信号的时间和空间信息，已在激光测距和3D成像等方面显示出广泛的应用前景。

基于SPAD探测器成像技术所采用的飞行时间测量法，主要采取时间-数字转换方法(Time to Digital Convert，TDC)，虽然TDC电路具有较高的时间分辨率，较强的抑制噪声能力及抗干扰性，但是由于它结构复杂，管子数量庞大，功耗增大，且占用的面积过大，降低了有效探测面积，严重影响了像素单元的填充因子，电路密度和集成度。在工艺尺寸不断减小的大背景下，有效地减小像素单元的面积，提高填充因子就成为了亟待解决的问题。

而时间-模拟转换(Time to Analog Convert，TAC)的方法采用的管子数量远小于TDC电路，有利于提高填充因子，因此有必要对TAC电路进行进一步研究。然而基于运算放大器的电容积分型TAC电路仍然存在一些问题：首先，电容的大小和计时范围与版图面积之间存在矛盾；其次，传统的TAC电路采用运算放大电路造成电路版图面积增大，填充因子降低，因此对基于运算放大器的积分型TAC电路进行简化是极为必要的。

发明内容

发明目的：针对传统电容积分型TAC电路版图面积大、像素单元填充因子低等问题，本发明提出一种应用于单光子探测器的高填充因子和高电路密度的紧凑型时间-模拟转换电路。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种应用于单光子探测器的紧凑型时间-模拟转换电路，包括1个RS触发器、1个计时电容C和8个MOS管，即4个NMOS管MN0、MN1、MN2、MN3和4个PMOS管MP0、MP1、MP2、MP3；

其中，雪崩脉冲输入信号in连接RS触发器的置1端口Set，输入停止信号Stop连接RS触发器的置0端口Reset，RS触发器原和反输出端口Q和QN分别接PMOS管MP0和MP1的栅极输入端Ctrl和Ctrln；

所述PMOS管MP0与MP1组成差分结构作为输入级，MN1与MP1组成互补型CMOS开关，MP0、MN1、MP1三个MOS管共同组成控制逻辑控制计时电容C的放电；NMOS管MN0工作在饱和区，为MP0和MP1组成的差分管提供稳定的尾电流；MP2和MP3作为两个PMOS开关，控制计时电容C的复位操作；MN2和MN3组成源级跟随器，将计时电容C上的电压大小读出。

进一步的，所述PMOS管MP0的源极接电源Vdd，它的漏极与MP1的漏极相连，并与NMOS管MN0的漏极连接；MN0的栅极外接偏置电压Vb，其源极接地gnd，且MP1的源极与计时电容C的负极板相连；NMOS管MN1的漏极与计时电容C的负极板相连，其栅极与MP0的栅极连接在一起，其源极与MN0的漏极连接；