[发明专利]一种应用于SPAD的信号读取电路

说明书

本发明提出了一种应用于SPAD的信号读取电路。该电路包括信号的存储、读出和复位三个连续的过程。在存储阶段，每当单光子雪崩二极管探测到一个光子信号，产生一个高电平脉冲信号，此信号使MOS管M1打开，从而对电容进行放电一次。在读出阶段，通过源极跟随器可读出电容上的电压值，从而获得对应的所探测到的光子数。读出阶段完成后，MOS管M3开启，使电容被充电到电源电压，实现复位。

技术领域

本发明涉及一种基于SPAD的信号读取电路，其能够实现对单光子信号的高效线性存储与读取。

背景技术

近年来，固态数字图像传感器技术得到了飞速的发展。固态数字图像传感器技术目前主要包括电荷耦合器件技术（Charge Coupled Device，简称CCD）和CMOS图像传感器技术（CMOS Active Pixel Sensor，简称CMOS-APS）。特别是进入二十一世纪以来，随着标准集成电路工艺向着纳米量级发展，CMOS-APS技术得以获得更加升入的发展，在集成度、功耗以及成本上已经完全超越CCD，成为主流的消费品技术。

然而，随着微光成像技术、超高速成像技术以及量子光学技术的发展，传统的数字成像技术在成像速度和灵敏度上都遇到了巨大的挑战。在高速成像或微光条件下成像，由于曝光时间短，图像传感器所能够获得的光子信号非常微弱，而由于其本身的信噪比限制，造成传感器获得的图像不清晰。因此，如何进行微弱光信号的探测以及超高速成像，逐渐成为国内外研究的热点。

单光子雪崩二极管（Single Photon Avalanche Diode，简称SPAD）是一种工作在盖革模式（Geiger Mode）下的光电二极管，其灵敏度能够达到单个光子级别，并且其时间分辨率可达皮秒量级。SPAD兼具单光子灵敏度和皮秒分辨率两大特点，使其在微光探测和超高速成像领域得到了极大的关注，已经成为新的固态图像传感器研究热点技术。

如何将SPAD获得的高速信号及时准确的读出是现阶段急需解决的一个重要问题，读出电路的设计将直接影响到SPAD最终的探测质量。SPAD所输出的信号为一个脉冲信号，因此，传统的探测器通常都采用数字信号的读出方式，每个SPAD像素单元都配备一个读出电路，以及用来记录脉冲信号个数的高速计数器和锁存器等电路，所设计的电路方案可以保证最大限度的发挥SPAD高速探测这一特点。然而，由于每个像素都包含有一个庞大的电路模块，使得最终的单元像素面积过大，导致传感器的集成度不高，分辨率低。这也制约了SPAD作为成像传感器的像素分辨率性能。

发明内容

本发明提出了一种应用于SPAD的信号读取电路，其特点在于将SPAD所获得光信号以电压形式存储在电容器上，待一个探测周期结束后由读出电路统一读取，极大的增加了传感器的占空比，提高了像素集成度。

所述的应用于SPAD的信号读取电路，包括一个存储电路模块和一个读出电路模块，其结构示意图如图1所示。存储电路模块由一个电容和三个MOS管组成，读出电路模块由一个选择MOS管组成。具体的操作过程如下：

（1）复位阶段：在进行光信号探测前，偏置Vrst电压，使得MOS管M3导通，偏置Vbias电压，使得MOS管M2关断，将电容Cap充电至电源电压值VDD。

（2）光信号存储阶段：在复位阶段完成后，偏置Vrst电压，使得MOS管M3关断，偏置Vbias电压，使得MOS管M2导通，SPAD开始进行光电子探测。当SPAD探测到一个光子信号时，整形电路输出一个高电平脉冲信号Vh，使得MOS管M1导通，从而形成一个到地端的回路，对电容Cap进行放电。当SPAD没有探测到光子信号时，整形电路输出低电平信号，MOS管M1关断，电容放电回路被切断，维持现有电位。如此反复，SPAD每探测到一个光子信号，电容Cap就进行一次放电，电容Cap的最终端电位大小与SPAD所探测到的光子数成线性关系，此电位在复位之前将不会变化，相当于将光信号存储于Cap之中。