一种共享数字转换器的单光子探测器制造技术

本发明专利技术涉及一种共享数字转换器的单光子探测器，包括N组单光子探测电路、N个数字转换器以及主控处理器，主控处理器与N组单光子探测电路连接，每一组单光子探测电路与一个数字转换器连接，且每一组单光子探测电路包括多个单光子探测单元，一个数字转换器与多个单光子探测单元连接；每一组单光子探测电路，根据主控处理器输出的使能控制信号选通一个与使能控制信号对应的单光子探测单元，探测光子并在接收到光子时产生脉冲信号至数字转换器；数字转换器，根据脉冲信号计算出光子传输的时间间隔；主控处理器利用时间间隔确定目标物与探测器之间的距离，完成探测。本探测器采用列共享数字转换器的策略，提升了芯片的感光效率及集成度。

A single photon detector with a shared digital converter

The invention relates to a single photon detector with a shared digital converter, including a N single photon detection circuit, a N digital converter, and a master processor. The master processor is connected to a N single photon detection circuit. Each single photon detection circuit is connected to a digital converter, and each single photon detection circuit consists of a single photon detection circuit. Multiple single photon detection units, a digital converter connected with a plurality of single photon detection units; each group of Dan Guangzi detection circuits, which selects a single photon detection unit that corresponds to a control signal based on the enabled control signal output by the master processor, and detects the photons and generates a pulse signal to the number of photons when they receive the photons. A word converter; a digital converter, which calculates the time interval of the photon transmission according to the pulse signal; the main control processor uses the time interval to determine the distance between the target and the detector, and completes the detection. The detector adopts the strategy of column shared digital converter, which improves the sensitivity and integration of the chip.

【技术实现步骤摘要】
一种共享数字转换器的单光子探测器
本专利技术涉及光子探测领域，更具体地说，涉及一种共享数字转换器的单光子探测器。
技术介绍
近年来，无人驾驶技术成为研究的热点，通过各类传感器动态的识别道路上的障碍物，例如汽车，自行车和行人等。由于激光雷达探测精度高，受光照影响小，可以直接获取障碍物位置信息，因此激光雷达有希望成为无人驾驶汽车重要的传感器系统之一。目前文献报道的如谷歌，奥迪等厂商以及大部分研究机构采用的激光雷达通常来自于SILK，Velodyne，UTM这几家公司。这些激光雷达的最大量程在30m-174m的范围，最小精度在1cm-10cm的范围，帧率在10fps-20fps的范围。传感器像素为16×1，32×1，64×1等。目前，TOF(飞行时间)激光测距一般可以分成两个大类，一种是相位式，另一种是脉冲式。相位法激光测距的优点就是测量精度高，缺点就是测量距离有限制。而盖革模式的TOF传感器属于脉冲式这一类，其优势是实现结构简单，可以对远距离，低回波能量目标实现高速，低功耗，高精度的距离信息获取，所以在无人驾驶系统中展示出非常好的前景。盖革模式的TOF传感器是利用工作在盖革模式下的单光子雪崩二极管(SPAD)探测光子的敏感性，通过时间数字转换器(TDC)记录下激光雷达发射出的光子与传感器接收到光子之间的时间间隔，采用时间相关单光子计数技术(TCSPC)判断出目标与传感器之间的距离，并构建深度图像。对于SPAD像素设计而言，有两个设计考虑，第一是淬灭电路，第二是后脉冲的消除电路。常见的淬灭电路有三种，门脉冲淬灭，被动式淬灭以及主动式淬灭。门脉冲淬灭电路要求门控脉冲信号和入射光子完全同步，否则会降低计数率。被动式淬灭电路通常需要串联很大的电阻才能实现淬灭，一般为几百个纳秒，并且容易产生后脉冲。主动式淬灭利用了反馈的优势，将单光子信号产生的雪崩脉冲反馈到SPAD的驱动电压上，使SPAD的偏置电压迅速降到雪崩阈值电压以下，以保证快速彻底淬灭雪崩，又能够防止快速恢复时被再触发，并且减少了每次雪崩产生的电量，在一定程度上降低了后脉冲的个数。其最大的优点就是响应速度快，后脉冲数少，计数率高，经常在连续信号探测的情况下使用。在雪崩过程中，被结区杂质俘获的载流子在雪崩结束后经过片刻的延迟被释放出来，在强电场下会再次引发雪崩，产生与前一次光生脉冲无关的后脉冲。而且，每一个SPAD都需要与一个TDC配合工作，占用面积非常大，不利于处理芯片的集成。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种共享数字转换器的单光子探测器。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种共享数字转换器的单光子探测器，包括N组单光子探测电路、N个数字转换器以及主控处理器，所述主控处理器与所述N组单光子探测电路连接，每一组单光子探测电路与一个数字转换器连接，且每一组单光子探测电路包括多个单光子探测单元，一个所述数字转换器与多个所述单光子探测单元连接；N为大于1的正整数；所述主控处理器用于输出使能控制信号；每一组所述单光子探测电路，根据所述使能控制信号选通一个与所述使能控制信号对应的单光子探测单元，用于探测光子并在接收到光子时产生脉冲信号至所述数字转换器；所述数字转换器，根据所述脉冲信号计算出光子传输的时间间隔，并发送至所述主控处理器；所述主控处理器利用所述时间间隔确定目标物与探测器之间的距离，完成探测。优选地，每一个所述单光子探测单元包括一个单光子雪崩二极管、淬灭电路及保持电路；所述单光子雪崩二极管的阴极接正高压电源，所述单光子雪崩二极管的阳极与所述淬灭电路的检测端连接，所述淬灭电路的输出端与所述保持电路的输入端连接，所述保持电路的输出端与所述数字转换器连接，所述保持电路的反馈端与所述淬灭电路的复位端连接，所述淬灭电路和所述保持电路还分别与所述主控处理器连接；所述主控处理器输出使能控制信号至所述淬灭电路和保持电路，以使所述单光子雪崩二极管处于探测状态，并在所述单光子雪崩二极管雪崩时，通过所述淬灭电路快速将雪崩淬灭，并通过所述保持电路控制所述单光子雪崩二极管返回探测状态，同时还通过所述保持电路向所述数字转换器发送脉冲信号。优选地，所述淬灭电路包括第一NMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管、第一与门、第二与门以及第一反相器，其中，所述第一NMOS管的栅极与所述第一与门的输出端连接，所述第一NMOS管的源极接地，所述第一NMOS管的漏极与所述单光子雪崩二极管的阳极连接；所述第一与门的第一输入端通过所述复位端与所述保持电路的反馈端连接，所述第一与门的第二输入端接使能控制信号；所述第二NMOS管的栅极与漏极短接，所述第二NMOS管的漏极还与所述单光子雪崩二极管的阳极连接，所述第二NMOS管的源极与所述第三NMOS管的漏极连接，所述第三NMOS管的源极接地，所述第三NMOS管的栅极与所述第二与门的输出端连接，所述第二与门的第二输入端与所述第一反相器的输出端连接，所述第二与门的第一输入端接使能控制信号，所述第一反相器的输入端与所述单光子雪崩二极管的阳极连接；所述第一NMOS管的漏极还分别与所述第二NMOS管的漏极和所述第一反相器的输入端连接，且所述第一NMOS管的漏极与所述第二NMOS管的漏极以及所述第一反相器的输入端连接的节点为所述淬灭电路的检测端。优选地，所述第一反相器包括第一PMOS管和第四NMOS管，其中，所述第一PMOS管的栅极与所述第四NMOS管的栅极连接，且所述第一PMOS管的栅极与所述第四NMOS管的栅极的连接节点还与所述单光子雪崩二极管的阳极连接，所述第一PMOS管的漏极接高电平，所述第一PMOS管的源极与所述第四NMOS管的漏极连接，所述第一PMOS管的源极与所述第四NMOS管的漏极的连接节点还与所述第二与门的第二输入端连接，所述第四NMOS管的源极接地；所述第一PMOS管的源极与所述第四NMOS管的漏极的连接节点为所述第一反相器的输出端，所述第一反器的输出端与第二与门的第二输入端的连接节点为所述淬灭电路的输出端。优选地，所述保持电路包括第二反相器、第三与门、第四与门、电阻以及电容，其中，所述第二反相器的输入端与所述淬灭电路的输出端连接，所述第二反相器的输出端分别与所述第三与门的第一输入端和第四与门的第二输入端连接，所述第二反相器的输出端还依次通过所述电阻和电容接地；所述第三与门的第二输入端接使能控制信号，所述第三与门的输出端与所述数字转换器连接；所述第四与门的第一输入端连接在所述电阻与电容之间，所述第四与门的输出端与所述淬灭电路的复位端连接；所述第一反相器的输入端为所述保持电路的输入端，所述第四与门的输出端为所述保持电路的反馈端，所述第三与门的输出端为所述保持电路的输出端。优选地，所述第二反相器包括第二PMOS管和第五NMOS管；所述第二PMOS管的栅极与所述第五NMOS管的栅极连接，且所述第二PMOS管的栅极与所述第五NMOS管的栅极的连接节点还与所述淬灭电路的输出端连接，所述第二PMOS管漏极接高电平，所述第二PMOS管的漏极与所述第四与门连接，所述第二PMOS管的源极接第五NMOS管的漏极，所述第五NMOS管的源极接地，所述第二PMOS管的源极与所述第五NMOS管的漏极的连接节点为所述第二反相器的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种共享数字转换器的单光子探测器，其特征在于，包括N组单光子探测电路、N个数字转换器以及主控处理器，所述主控处理器与所述N组单光子探测电路连接，每一组单光子探测电路与一个数字转换器连接，且每一组单光子探测电路包括多个单光子探测单元，一个所述数字转换器与多个所述单光子探测单元连接；N为大于1的正整数；所述主控处理器用于输出使能控制信号；每一组所述单光子探测电路，根据所述使能控制信号选通一个与所述使能控制信号对应的单光子探测单元，用于探测光子并在接收到光子时产生脉冲信号至所述数字转换器；所述数字转换器，根据所述脉冲信号计算出光子传输的时间间隔，并发送至所述主控处理器；所述主控处理器利用所述时间间隔确定目标物与探测器之间的距离，完成探测。

【技术特征摘要】
1.一种共享数字转换器的单光子探测器，其特征在于，包括N组单光子探测电路、N个数字转换器以及主控处理器，所述主控处理器与所述N组单光子探测电路连接，每一组单光子探测电路与一个数字转换器连接，且每一组单光子探测电路包括多个单光子探测单元，一个所述数字转换器与多个所述单光子探测单元连接；N为大于1的正整数；所述主控处理器用于输出使能控制信号；每一组所述单光子探测电路，根据所述使能控制信号选通一个与所述使能控制信号对应的单光子探测单元，用于探测光子并在接收到光子时产生脉冲信号至所述数字转换器；所述数字转换器，根据所述脉冲信号计算出光子传输的时间间隔，并发送至所述主控处理器；所述主控处理器利用所述时间间隔确定目标物与探测器之间的距离，完成探测。2.根据权利要求1所述的共享数字转换器的单光子探测器，其特征在于，每一个所述单光子探测单元包括一个单光子雪崩二极管、淬灭电路及保持电路；所述单光子雪崩二极管的阴极接正高压电源，所述单光子雪崩二极管的阳极与所述淬灭电路的检测端连接，所述淬灭电路的输出端与所述保持电路的输入端连接，所述保持电路的输出端与所述数字转换器连接，所述保持电路的反馈端与所述淬灭电路的复位端连接，所述淬灭电路和所述保持电路还分别与所述主控处理器连接；所述主控处理器输出使能控制信号至所述淬灭电路和保持电路，以使所述单光子雪崩二极管处于探测状态，并在所述单光子雪崩二极管雪崩时，通过所述淬灭电路快速将雪崩淬灭，并通过所述保持电路控制所述单光子雪崩二极管返回探测状态，同时还通过所述保持电路向所述数字转换器发送脉冲信号。3.根据权利要求2所述的共享数字转换器的单光子探测器，其特征在于，所述淬灭电路包括第一NMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管、第一与门、第二与门以及第一反相器，其中，所述第一NMOS管的栅极与所述第一与门的输出端连接，所述第一NMOS管的源极接地，所述第一NMOS管的漏极与所述单光子雪崩二极管的阳极连接；所述第一与门的第一输入端通过所述复位端与所述保持电路的反馈端连接，所述第一与门的第二输入端接使能控制信号；所述第二NMOS管的栅极与漏极短接，所述第二NMOS管的漏极还与所述单光子雪崩二极管的阳极连接，所述第二NMOS管的源极与所述第三NMOS管的漏极连接，所述第三NMOS管的源极接地，所述第三NMOS管的栅极与所述第二与门的输出端连接，所述第二与门的第二输入端与所述第一反相器的输出端连接，所述第二与门的第一输入端接使能控制信号，所述第一反相器的输入端与所述单光子雪崩二极管的阳极连接；所述第一NMOS管的漏极还分别与所述第二NMOS管的漏极和所述第一反相器的输入端连接，且所述第一NMOS管的漏极与所述第二NMOS管的漏极以及所述第一反相器的输入端连接的节点为所述淬灭电路的检测端。4.根据权利要求3所述的共享数字转换器的单光子探测器，其特征在于，所述第一反相器包括第一PMOS管和第四NMOS管，其中，所述第一PMOS管的栅极与所述第四NMOS管的栅极连接，且所述第一PMOS管的栅极与所述第四NMOS管的栅极的连接节点还与所述单光子雪崩二极管的阳极连接，所述第一PMOS管的漏极接高电平，所述第一PMOS管的源极与所述第四NMOS管的漏极连接，所述第一PMOS管的源极与所述第四NMOS管的漏极的连接节点还与所述第二与门的第二输入端连接，所述第四NMOS管的源极接地；所述第一PMOS管的源极与所述第四NMOS管的漏极的连接节点为所述第一反相器的输出端，所述第一反器的输出端与第二与门的第二输入端的连接节点为所述淬灭电路的输出端。5.根据权利要求2所述的共享数字转换器的单光子探测器，其特征在于，所述保持电路包括第二反相器、第三与门、第四与门、电阻以及电容，其中，所述第二反相器的输入端与所述淬灭电路的输出端连接，所述第二反相器的输出端分别与所述第三与门的第一输入端和第四与门的第二输入端连接，所述第二反相器的输出端还依次通过所述电阻和电容接地；所述第三与门的第二输入端接使能控制信号，所述第三与门的输出端与所述数字转换器连接；所述第四与门的第一输入端连接在所述电阻与电容之间，所述第四与门的输出端与所述淬灭电路的复位端连接；所述第一反相器的输入端为所述保持电路的输入端，所述第四与门的输出端为所述保持电路的反馈端，所述第三与门的输出端为所述保持电路的输出端。6.根据权利要求5所述的共享数字转换器的单光子探测器，其特征在于，所述第二反相器包括第二PMOS管和第五NMOS管；所述第二PMOS管的栅极...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐渊，潘安，谢刚，黄志宇，王育斌，刘诗琪，
申请(专利权)人：深圳技术大学筹，
类型：发明
国别省市：广东,44