[发明专利]一种应用于单光子探测器的时间-模拟转换电路

权利要求书

1.一种应用于单光子探测器的时间-模拟转换电路，其特征在于，包括：淬灭电路、RS触发器F、传输门TG、单刀双掷开关S、采样电容C和源极跟随电路；

淬灭电路包括单光子雪崩二极管SPAD和MOS管MN1、MN2，单光子雪崩二极管SPAD的阴极接设定电位，阳极接MN1的漏极；MN1的源极接地，栅极接外部复位信号V_q；MN2源极接单光子雪崩二极管SPAD的阳极，栅极连接门控信号win，漏极连接RS触发器F的S端；RS触发器F的R端接复位信号RST，Q端接传输门TG的输入端，端接传输门TG的输出端；

传输门TG的一个控制端连接采样电容C的上极板，另一个控制端连接单刀双掷开关S，采样电容C的下极板接地；单刀双掷开关S在控制信号clk的控制下连接与曝光信号同步的三角波信号Vtri或参考电压Vref；

源极跟随电路包括MOS管MN3、MN4，MN3的栅极连接采样电容C的上极板，漏极接电源，源极与MN4的漏极连接；MN4的源极接地，栅极接电压信号Vsel；MN3源极与MN4漏极的连接点作为所述转换电路的输出端；

所述转换电路具备三个工作阶段：

(1)探测准备阶段：

在像素阵列曝光之前，首先将像素阵列复位，复位信号RST为高电平，单刀双掷开关选通参考电压Vref信号；此时，采样电容C的电压值等于Vref；

然后复位信号RST变为低电平，所述转换电路准备进行计时操作；

在像素阵列曝光之前，门控信号win为低电平，门控MOS管MN2保持关断，然后由激光器发射激光Laser，照射待探测物体；

(2)光子飞行时间探测阶段：

当像素阵列处于曝光阶段时，单刀双掷开关S由控制信号clk控制连接三角波信号Vtri，当三角波信号Vtri处于上升周期时像素阵列曝光；

当单光子雪崩二极管SPAD检测到由激光Laser照射返回的光子时形成雪崩电流，此时淬灭MOS管MN1闭合，呈高阻态，单光子雪崩二极管SPAD退出盖革模式；门控信号win变为高电平，门控MOS管MN2开启，雪崩电压经门控MOS管MN2形成雪崩脉冲信号In；

当雪崩脉冲信号In的上升沿到来时，RS触发器F的Q段输出变为低电平，传输门TG关闭，追踪保持电路停止追踪，将三角波信号Vtri对应在雪崩脉冲信号到来时的电压值进行采样并保存；

当曝光时间结束后，电路进入下一个读出阶段；

(3)电压读出阶段：当MN4的栅极电压控制电压信号Vsel使负载管MN4处于饱和区时，源极跟随电路正常工作，采样电容C上的电压通过MN3传输到输出端，并通过输出端输出到阵列接口电路上，通过读出采样电容C上的电压即可计算得到单光子雪崩二极管SPAD在曝光时光子的飞行时间。

2.根据权利要求1所述的一种应用于单光子探测器的时间-模拟转换电路，其特征在于，所述激光Laser信号、外部复位信号V_q、门控信号win和三角波信号Vtri的表达分别为：

Laser：

V_q：

Win：

V_tri：

式中，T表示采样周期。

3.根据权利要求2所述的一种应用于单光子探测器的时间-模拟转换电路，其特征在于，所述采样电容C为金属-绝缘体-金属电容或双层多晶硅电容或MOS电容。