[发明专利]一种高动态范围的时间-幅度转换电路及其测量方法

说明书

本发明公开了一种高动态范围的时间‑幅度转换电路，属于单光子探测技术领域，其包括积分定时模块和行选读出模块，积分定时模块的输入端与积分信号产生逻辑和反馈控制逻辑的输出端分别相连，积分定时模块的输出端与反馈控制逻辑和行选读出模块的输入端分别相连；本发明还公开了其测量方法，利用模拟定时检测光子飞行时间的方案，采用折叠积分法并对积分电容正极板的电荷进行监测，在保证电路的版图面积小、功耗低和像素填充因子的同时，有效地提高了电压摆幅的动态范围，提高时间分辨率、测量精度，并降低了开关节点处的时钟馈通效应，有效减缓了开关关闭后的漏电现象，提高了保持时间，还降低制造成本低，各电路之间的性能一致性好，成品率高。

技术领域

本发明属于单光子探测技术领域，具体涉及一种高动态范围的时间-幅度转换电路及其测量方法。

背景技术

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

目前基于时间相关的单光子成像芯片主要采取时间-数字转换 (Time-to-Digital Convert，TDC）的光子飞行时间测量法，尽管TDC电路具有较高的时间分辨率以及较强的抑制噪声能力和抗干扰能力，但它的结构复杂，晶体管数量庞大，功耗较大，且占用的芯片面积过大，严重影响了集成探测器像素单元的填充因子，造成阵列密度和集成度不高。

在工艺尺寸不断减小的大背景下，有效地提高探测精度，距离分辨率、时间分辨率，并且需要减小像素单元的面积，提高像素单元的填充因子就成为了亟待解决的问题。

时间-幅度转换(Time-to-Amplitude Convert, TAC)方法的电路实现方案简单，采用的晶体管数量远小于TDC电路，可以显著提高像素单元的填充因子，因此有必要对TAC电路进行进一步研究。

然而现有的TAC电路积分电压受到电源电压的限制，电压摆幅范围小、无法对电压进行高精度的量化，存在满量程时间短、时间分辨率低等问题，因此非常必要提出一种新型的TAC电路结构。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于提供一种高动态范围的时间-幅度转换电路及其测量方法，应用于单光子探测器，在固定的积分时长内，电压积分范围实现成倍提高从而增大测量范围，提高时间分辨率，同时降低了电路的复杂程度和电路的面积，有效地增加了像素单元的填充因子，可以极大程度提高阵列的集成度。

技术方案：为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种高动态范围的时间-幅度转换电路，包括积分定时模块和行选读出模块，所述的积分定时模块的输入端与积分信号产生逻辑和反馈控制逻辑的输出端分别相连，所述的积分定时模块的输出端与反馈控制逻辑和行选读出模块的输入端分别相连；所述的积分定时模块的输入信号包括外部复位信号Rst、外部输入参考电压V_bias和所述的积分信号产生逻辑的输出端向积分定时模块输入的Integral_Signal信号；所述的积分信号产生逻辑的输入信号包括外部光子雪崩信号Photon、外部启动信号Start和外部停止信号Stop；所述的行选读出模块的输入信号为外部行选读出信号Read，所述的行选读出模块的输出端Out连接到外部输出端。