[发明专利]一种应用于单光子探测器的时间-模拟转换电路

说明书

本发明提出一种应用于单光子探测器的时间‑模拟转换电路，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；淬灭复位控制SPAD的淬灭复位以及控制雪崩信号的传输，RS触发器由雪崩信号控制追踪保持电路对与曝光信号同步的三角波采样，从而得到与光子飞行时间线性相关的电压值，且RS触发器起到对采样追踪电路复位的作用。单刀双掷开关在复位与光子飞行时间测量阶段给追踪保持电路提供不同的参考信号。本发明由触发器构成，电路结构简单，控制时序信号较少，占用面积较小，能够达到较高的填充系数，适用与大规模的像素阵列。且具有较高的输出范围，因此具有较小的时间分辨率，适用于较为精密的光子飞行时间的测量。

技术领域

本发明涉及光电技术领域，尤其是一种应用于单光子探测器的时间-模拟转换电路。

背景技术

单光子雪崩二极管(SPAD)具有雪崩增益大、响应速度快、探测效率高、成本低、功耗低等显著优点，能够获得光子信号的时间和空间信息，在生物荧光寿命探测、激光测距、3D成像等方面具有广泛的应用前景。在基于SPAD的荧光寿命成像等应用中，采用时间相关的单光子计数(TCSPC)技术来确定光子的飞行时间，从而确定物体的距离。目前时间-数字转换器(TDC)将探测到的时间转换成数字信号，然后提取出位置信息，恢复出3D图像。TDC的探测时间受时间分辨率影响，如果探测距离长，则测量的飞行时间也长，就需要几何增长式的延迟线来实现，这样就大大增加了TDC电路的芯片面积，造成每个像素单元的填充因子降低，功耗增大。此外，时间-模拟转换器(TAC)也可用于测量光子的飞行时间，它将飞行时间转换为模拟信号输出。相比与TDC电路，TAC电路具有更简单的电路和更小的电路面积。然而，传统TAC电路的测量时间范围更短，通常在几纳秒到数十纳秒，因此所能测量的距离小，且由于模拟输出范围较小，因此时间分辨率低，时间抖动高。如何在保证较大的飞行时间测量范围的前提下，保证像素单元电路有着较小的面积，就是一个亟待解决的技术问题。

发明内容

发明目的：为解决上述技术问题，本发明提出一种应用于单光子探测器的时间-模拟转换电路，本发明给出的基于追踪保持的TAC电路具有较长的测量时间范围，较为良好的时间分辨率，因此距离测量范围较远，且电路结构简单，占用面积较小，制作成本较低，适应用于时间相关单光子计数的荧光寿命的测量。

技术方案：为实现上述技术效果，本发明提供的技术方案为：

一种应用于单光子探测器的时间-模拟转换电路，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；淬灭复位控制SPAD的淬灭复位以及控制雪崩信号的传输，RS触发器由雪崩信号控制追踪保持电路对与曝光信号同步的三角波采样，从而得到与光子飞行时间线性相关的电压值，且RS触发器起到对采样追踪电路复位的作用；

淬灭电路包括单光子雪崩二极管SPAD和MOS管MN1、MN2，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。

进一步的，所述应用于单光子探测器的时间-模拟转换电路具备三个工作阶段：

(1)探测准备阶段：