本實用新型提出了一種基于雪崩脈沖上升沿觸發(fā)計數(shù)的線性模擬計數(shù)電路和方法，屬于單光子探測技術領域。

背景技術：

SPAD(Single Photon Avalanche Diode)即單光子雪崩光電二極管。在光電探測領域中，傳統(tǒng)意義上的光電倍增管(PMT)已經不能滿足于高速弱光條件下的探測，傳統(tǒng)成像技術在成像速度和像素靈敏度方面受到了一定的限制，于是開始出現(xiàn)固態(tài)光電倍增管，即單光子雪崩二極管探測器。近年來，利用現(xiàn)代的標準CMOS工藝制造出高密度、高集成度的SPAD陣列探測器成為這種單光子雪崩二極管探測器的發(fā)展趨勢。

傳統(tǒng)的計數(shù)電路采取數(shù)字計數(shù)的方式，直接對SPAD產生的雪崩脈沖進行處理，供后續(xù)電路進行數(shù)字信號處理。雖然數(shù)字式計數(shù)電路具有更好的噪聲抑制、探測靈敏度和低噪聲等特性，但是它的缺點是結構復雜，需要上百只晶體管，占用面積大，嚴重影響了像素單元的填充系數(shù)。為了有效地減小讀出電路的面積，提高填充系數(shù)，有必要研究采用模擬計數(shù)的方法對雪崩脈沖進行計數(shù)。

然而模擬計數(shù)器中的計數(shù)電容通常占去像素單元版圖的絕大多數(shù)面積。計數(shù)范圍受電容面積的影響較大，計數(shù)范圍與電容值的大小成正比，即與電容的面積成正比。要想進一步減小計數(shù)電路的面積，就要降低計數(shù)電容版圖的面積，但這樣會導致計數(shù)范圍的降低。因此，在采用模擬計數(shù)的SPAD探測器應用中，需要解決計數(shù)電容與版圖面積和計數(shù)范圍之間的矛盾問題。

技術實現(xiàn)要素：

針對傳統(tǒng)模擬計數(shù)電路計數(shù)范圍受計數(shù)電容和輸入雪崩信號脈寬制約的問題，本實用新型提出一種應用于SPAD探測器的高計數(shù)范圍的模擬計數(shù)電路。

具體的技術方案是一種應用于SPAD探測器的高計數(shù)范圍的模擬計數(shù)電路，該電路由一個計數(shù)電容C、1個電阻R和15個MOS管組成，其中NMOS管MN3和MN4，PMOS管MP6，MP7，MP8和MP9以及電阻R構成一個Cascode偏置電路，為計數(shù)電路提供偏置，同時該偏置電路還為計數(shù)電路的輸出跟隨器提供了一個電流源負載，保證了計數(shù)器的線性輸出，該偏置電路還為限流PMOS管MP2提供了一個較高電平的偏置電壓，在計數(shù)電容充電的支路上起到了一個限制導通電流過大的作用，PMOS管MP0是電荷注入管，為信號輸入開關，其柵極接一個脈沖信號in，源極接電源電壓VDD，其漏極與PMOS管MP1管的源極相連；MP1是隔離管，其柵極接電源電壓VDD，其漏極與限流PMOS管MP2的源極接在一起；MP2為限流管，其柵極接的電壓偏置由Cascode偏置電路提供，其作用是在電容充電的瞬間限制住充電電流的大小，PMOS管MP2的漏極接電容C的上極板；NMOS管MN0為一個復位開關，MN0的柵極接一個復位信號Clear，漏極接計數(shù)電容C的正極板，源極接計數(shù)電容的下極板，即GND；NMOS管MN1、MN2、MN3和MN4構成NMOS管電流鏡；PMOS管MP4和MP5構成PMOS管電流鏡，這兩個電流鏡的作用是將Cascode偏置電路的偏置電流傳遞到輸出端out所在的支路，最終PMOS管MP4相當于跟隨器PMOS管MP3的電流源負載；PMOS管MP3是電壓跟隨器，負責最后將計數(shù)電容上的電壓信號傳遞到輸出端out，作為計數(shù)的輸出結果。

上述計數(shù)電路由PMOS管MP0、MP1、MP2和電容C組成。

本實用新型具有的有益效果：

1.本實用新型可以降低電容面積，且計數(shù)范圍大：采用250pF的計數(shù)電容能夠可以實現(xiàn)1600次的計數(shù)，由于本實用新型采用上升沿觸發(fā)計數(shù)的方法，在每一次脈沖上升沿，計數(shù)電容增加極微量的電荷。因此可以在減小計數(shù)電容面積的同時，計數(shù)范圍并沒有顯著降低。

2.本實用新型的電路可以實現(xiàn)軌到軌的電平計數(shù)范圍：通過簡單的偏置電路將電流源作為輸出跟隨器的負載，輸出電阻相當于無窮大，因此輸出電平不會受到輸出負載的影響。

3.本實用新型的像素單元的填充系數(shù)高：本實用新型采用模擬計數(shù)電路代替?zhèn)鹘y(tǒng)的數(shù)字計數(shù)電路，由于模擬計數(shù)電路面積小，有利于提高SPAD陣列探測器的填充系數(shù)。

附圖說明

圖1為上升沿觸發(fā)計數(shù)的線性模擬計數(shù)電路圖。

圖2為上升沿觸發(fā)計數(shù)的線性模擬計數(shù)電路的工作時序圖。

圖3為上升沿觸發(fā)計數(shù)的線性模擬計數(shù)電路的仿真結果圖。

圖4為上升沿觸發(fā)計數(shù)的線性模擬計數(shù)電路的版圖。

具體實施方式

以下結合說明書附圖對本實用新型專利作進一步的詳細說明。

該電路利用電容充電的方案，對電容上的電荷進行實時監(jiān)測，最后通過計算就可以得到探測到的光子的數(shù)量。為了實現(xiàn)線性模擬計數(shù)電路在較大的動態(tài)范圍內對計數(shù)電容的充電，本實用新型采取脈沖上升沿觸發(fā)計數(shù)的方法，即每個雪崩信號的上升沿到來后，將在計數(shù)電容上增加極微量的單位電荷。利用這種上升沿觸發(fā)計數(shù)的方法，使得電容只在脈沖上升沿到來之后的極短的瞬間內計數(shù)，從而使得電容每一次充電的單位電量很小，從而實現(xiàn)了較大動態(tài)范圍內的計數(shù)。

基于電容兩端電壓不能突變的原理，本實用新型設計了一種基于電容充電的線性模擬計數(shù)電路，其具體電路如圖1所示。該電路使用了一個計數(shù)電容C、1個電阻R和15個MOS管。其中NMOS管MN3和MN4，PMOS管MP6，MP7，MP8和MP9以及電阻R構成一個簡單Cascode(共源共柵)偏置電路，為計數(shù)電路提供偏置。此偏置電路為計數(shù)電路的輸出跟隨器提供了一個電流源負載(由MP4提供)，保證了計數(shù)器的線性輸出。此外。偏置電路還為限流PMOS管MP2提供了一個較高電平的偏置電壓，在計數(shù)電容充電的支路上起到了一個限制導通電流過大的作用。PMOS管MP0是電荷注入管，為信號輸入開關，其柵極接一個脈沖信號in，源極接電源電壓VDD，其漏極與PMOS管MP1管的源極相連；MP1是隔離管，其柵極接電源電壓VDD，其漏極與限流PMOS管MP2的源極接在一起；MP2為限流管，其柵極接的電壓偏置由Cascode偏置電路提供，其作用是在電容充電的瞬間限制住充電電流的大小，PMOS管MP2的漏極接電容C的上極板；NMOS管MN0為一個復位開關，MN0的柵極接一個復位信號Clear，漏極接計數(shù)電容C的正極板，源極接計數(shù)電容的下極板，即GND；NMOS管MN1、MN2、MN3和MN4構成NMOS管電流鏡；PMOS管MP4和MP5構成PMOS管電流鏡。這兩個電流鏡的作用是將Cascode偏置電路的偏置電流傳遞到輸出端out所在的支路，最終PMOS管MP4相當于跟隨器PMOS管MP3的電流源負載，采取電流源作負載可以提高計數(shù)結果的線性度，實現(xiàn)軌到軌的電平計數(shù)范圍；PMOS管MP3是電壓跟隨器，負責最后將計數(shù)電容上的電壓信號傳遞到輸出端out，作為計數(shù)的輸出結果。

本實用新型的計數(shù)電路的工作原理與過程可以分為3個階段，如圖2所示，分別是復位階段、計數(shù)階段和讀出階段。復位階段是光子探測的準備階段，在雪崩脈沖到來之前，復位信號Clear為高電平，信號輸入開關MP0處于斷開狀態(tài)，利用復位開關Clear將電容的原有的電荷放電到GND，以等待計數(shù)階段的到來。對于計數(shù)階段，單光子雪崩二極管光電探測器開始對光信號進行探測，產生雪崩脈沖輸入信號，雪崩脈沖信號in在低電平的時候，MP0是導通的，且其溝道電阻非常小。因此MP0的漏極與源極電位接近相同，為電源電壓。當雪崩脈沖信號的一個上升沿到來時，由于電容的兩端電壓不能突變的原理，MP0兩端的電壓不能突變，因此MP0的柵極電壓上升時，其漏極電壓也隨之升高，經過一個短暫的瞬間又恢復到正常狀態(tài)。由于只有瞬間導通，且有限流MOS管MP2限制導通電流的大小，計數(shù)電容所獲得的電荷量非常少，計數(shù)電容就在這一瞬間完成了充電并計數(shù)。在讀出階段，SPAD完成了對單光子信號的探測，信號輸入開關MP0斷開，電壓跟隨器MP3開始對計數(shù)電容C的上極板上的電壓進行讀出，通過計算即可得到SPAD在探測期間所探測到的光子數(shù)。本實用新型提出的這種模擬讀出方法計數(shù)范圍大，電路結構簡單，不會降低像素單元的填充系數(shù)，同時也不會提高電路制造的成本?；陔娙輧啥穗妷翰荒芡蛔兊脑?，本實用新型提出了這種基于雪崩脈沖上升沿觸發(fā)計數(shù)的線性模擬計數(shù)電路和方法，該方法具有較高的計數(shù)范圍，計數(shù)電容占用面積小等優(yōu)點。

如圖1所示，為本實用新型上升沿觸發(fā)計數(shù)的線性模擬計數(shù)電路圖。該電路由1個電容C、1個電阻R和15個MOS管構成，具體包括：PMOS管MP0、MP1、MP2、MP3、MP4、MP5、MP6、MP7、MP8、MP9，NMOS管MN0、MN1、MN2、MN3、MN4。其中PMOS管MP0是電荷注入管，雪崩脈沖輸入信號從MP0的柵極輸入，其源極接VDD，漏極接PMOS管MP1的源極接在一起；MP1是隔離管，其柵極接電源電壓VDD，在雪崩脈沖信號的上升沿到來前，其柵極和源極的電壓差始終保持為0V，處于截止的狀態(tài)，使得PMOS管MP0和MP1所在的計數(shù)支路沒有電流流過；PMOS管MP2為限流MOS管，其源極接PMOS管MP1的漏極，其漏極接電容C的上極板，其柵極接一個較高的偏置電壓(與PMOS管MP8的柵極連在一起)，用于在計數(shù)電容計數(shù)的瞬間，限制瞬間導通電流，從而可以增加計數(shù)次數(shù)；NMOS管MN0是電容復位開關，其柵極接復位信號Clear，源極和漏極分別接計數(shù)電容的上極板和下極板，它的寬長比設計的足夠大，保證了電容可以在較短的時間內完成復位操作；PMOS管MP3是電壓跟隨器，柵極接電容上極板，源極為輸出端out，它負責將最后計數(shù)電容上的計數(shù)結果輸出；PMOS管MP4為跟隨器的電流源負載，其柵極與PMOS管MP5的柵極連在一起，它與MP5構成了一個PMOS電流鏡；NMOS管MN1、MN2、MN3、MN4構成一個NMOS管電流鏡；這兩個電流鏡的作用是將偏置產生的電流傳遞到輸出支路，構成輸出電壓跟隨器的電流源負載。偏置電路主要是由PMOS管MP6、MP7、MP8、MP9，NMOS管MN3、MN4以及電阻R構成。

圖2給出了模擬計數(shù)器的兩個計數(shù)周期，該計數(shù)電路的每一次計數(shù)周期都分為3個階段，分別是復位階段、計數(shù)階段和讀出階段。

(1)復位階段：在雪崩信號到來之前，脈沖信號輸入開關MP0斷開，利用復位信號Clear來控制復位過程的啟動與中斷。在復位階段，復位信號Clear為高電平，復位開關MN0閉合，電容C通過MN0進行放電，電容C被放電至GND，等待計數(shù)階段的到來。

(2)計數(shù)階段：處于計數(shù)階段的復位信號Clear從高電平跳變?yōu)榈碗娖?，復位開關MN0斷開。在計數(shù)階段，SPAD探測到光子后會產生雪崩脈沖信號，當脈沖信號輸入開關MP0的柵極輸入信號in處于低電平時，MP0的漏極與源極電壓近似相同，為電源電壓。當in信號的上升沿到來時，MP0的柵電位升高，由于電容兩端電壓不能突變，在寄生電容Cgd的作用下MP0的漏極電壓被瞬間抬升至超過電源電壓，此時的晶體管MP0的源極變成漏極，其漏極變?yōu)樵礃O。MP0柵極電壓和漏極電壓都為VDD，源極電壓高于電源電壓，即MP1的源極電壓被提高，從而MP1的源極電壓高于柵極和源極電壓，MP0和MP1導通，放電的回路有兩條：一條是由MP1的源極向電源放電，另一條是向MP1的源極向MP1的漏極放電。于是MP1的源極電壓迅速降低，但已經足夠對電容C0充電。在每一個脈沖信號的上升沿到來時，計數(shù)電容C會獲得等量極微弱的電荷。計數(shù)電容C上的電荷隨著脈沖信號的數(shù)目線性增加。

(3)讀出階段：SPAD完成了對單光子信號的探測，信號輸入開關MP0斷開，電容上的電荷不再增加，并保持不變。電壓跟隨電路開始對計數(shù)電容C上極板上的電壓值進行讀出。因為每個雪崩脈沖信號計數(shù)電容C增加的電荷量相等，所以在一定時間內計數(shù)電容C兩端的電壓變化值與這段時間內探測到的光子數(shù)成正比。通過簡單計算即可得到SPAD在探測期間所探測到的光子數(shù)。

具體實施例：本實用新型基于中芯國際0.18μm的CMOS工藝對上述基于電容充電的線性模擬計數(shù)電路進行了仿真，仿真參數(shù)具體如下：計數(shù)電容C取250fF，雪崩脈沖信號in脈寬取10ns，周期取100ns；基于以上仿真參數(shù)，本實用新型進行了時長120us的仿真，并得到如圖3所示的仿真結果圖。圖中橫坐標為仿真時間，縱坐標為輸出端的電壓值。初始階段，電容C被復位信號放電到0V；隨后電路每檢測到一個雪崩脈沖信號，計數(shù)電容C上的電壓值就會減少一點，電壓波形呈現(xiàn)階梯狀遞增。該模式下輸出端電壓的波形隨著仿真時間也呈較好的線性變化。經過計算，250fF的電容可以計數(shù)約為1600次，能夠實現(xiàn)遠遠超過10bit的計數(shù)。在計數(shù)1600次以后輸出端對應的電壓值為3.2V，接近于電源電壓值(3.3V)，實現(xiàn)了近乎軌到軌的計數(shù)范圍。

根據(jù)上面的仿真結果，我們可以看出，本實用新型的計數(shù)方式有很好的線性度，且最大線性計數(shù)范圍較大，可以實現(xiàn)1600的計數(shù)。而且電容值只需要250fF，大大減小了計數(shù)電路的版圖面積。

圖4是基于上升沿觸發(fā)計數(shù)的線性模擬計數(shù)電路的版圖設計，其中包括1個計數(shù)電容C和15個MOS管。MOS管MP0、MP1、MP2的尺寸都取PMOS管的最小尺寸(長度和寬度都為300nm)。復位管MN0的長度和寬度為1.6μm和350nm。對于計數(shù)電容C，選取MIM電容，其寬度和長度分別取10μm和26μm，對應的電容值為250fF。跟隨器MP3的寬度和長度分別為12μm和300nm。電流鏡MP4和MP5的寬度和長度分別為12μm和1μm。MP6和MP8的寬度和長度分別為8μm和300nm。MP7和MP9的寬度和長度分別為12μm和1μm。MN2和MN4的寬度和長度分別為12μm和350nm。MN1和MN3的寬度和長度分別為12μm和600nm。用來產生偏置的電阻采用多晶硅電阻，寬度和長度分別為1μm和10μm，segments為9，總電阻為29.6kΩ。最終設計出來的基于脈沖上升沿觸發(fā)計數(shù)的線性模擬計數(shù)電路版圖如圖4所示。

本實用新型提出的這種模擬讀出方法計數(shù)范圍大，電路結構簡單，不會降低像素單元的填充系數(shù)，同時也不會提高電路制造的成本?；陔娙輧啥穗妷翰荒芡蛔兊脑?，本實用新型提出了這種基于雪崩脈沖上升沿觸發(fā)計數(shù)的線性模擬計數(shù)電路和方法，該方法具有較高的計數(shù)范圍，計數(shù)電容占用面積小等優(yōu)點。