[发明专利]基于双模切换的低功耗宽量程阵列型光子计时读出电路

摘要

本发明公开了一种基于双模切换的低功耗宽量程阵列型光子计时读出电路，包括由多个阵列像素单元构成的二维像素面阵、面阵外围附加的辅助像素单元、量化模式配置模块、时序控制模块及片内时钟产生电路。所述的阵列像素单元均包含APD探测器输入端口、AQC接口电路、阵列型TDC和寄存器。此读出电路工作在门控帧频探测模式下，通过判断当前帧辅助像素TOF的量化值大小来区分近距离探测和远距离探测，同时产生相应的控制信号来自适应地调节下一帧读出电路的数据量化模式。通过读出电路在不同量化模式之间的合理切换，可实现宽量程条件下的低功耗单光子探测成像。

主权项

1.基于双模切换的低功耗宽量程阵列型光子计时读出电路，包括由多个阵列像素单元构成的二维面阵、面阵外围附加的辅助像素单元、量化模式配置模块、时序控制模块及片内时钟产生电路，其特征在于：所述阵列像素单元均包含APD探测器输入端口、AQC接口电路、阵列型TDC以及寄存器；其中，APD探测器，用于在门控信号EN的有效窗口内检测单光子，窗口内随机到达的单光子信号可迅速触发盖革模式下的APD雪崩并产生脉冲电流信号；AQC接口电路，用于对APD产生的雪崩电流进行I‑V转换，产生可表征光子到达APD时刻的电压脉冲信号STOP，利用即刻产生的STOP及其相关信号控制MOS开关管上拉APD的阳极电位，进而减小APD的反偏电压，将雪崩电流淬灭，完成当前帧的单光子探测；阵列型TDC，采用异步二进制计数器与同步伪随机计数器构成的计数型TDC结构，在稳定的高频计数时钟驱动下，用于对各阵列像素TOF进行周期计数量化；寄存器，用于锁存来自共享的相位均分的多相时钟状态数据，实现对各阵列像素TOF的细分辨作用，在门控信号EN的有效窗口外，将各阵列像素锁存的完整TOF量化数据以串行方式读出；辅助像素单元，用于共享其邻近多个阵列像素单元内的APD探测器和AQC接口电路，无需另加APD探测器，像素内采用二进制同步加法计数器构成的计数型TDC结构，在中低频时钟的驱动下，用于对辅助像素TOF进行周期计数量化，得到被测目标空间距离对应的距离TOF的近似估值；量化模式配置模块，用于根据当前帧辅助像素TOF的量化值大小，自适应地选择下一帧读出电路的数据量化模式；时序控制模块，用于产生系统时序控制信号，完成各像素TOF量化值的探测并有序传输；片内时钟产生电路，用于产生读出电路系统正常工作所需的各种频率的时钟信号。