【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于激光雷达，具体涉及一种应用于激光雷达的高精度多模式模拟计数器。
技术介绍
1、激光雷达系统的接收端包括光学元件和传感器芯片，传感器芯片主要负责从接收到的光信号中提取所包含的2d强度信息和3d距离信息。常见的2d强度信息可以通过激光雷达芯片像素内计数器在特定时间内对芯片中spad(single-photon avalanche diode，单光子雪崩二极管)经淬灭电路产生的数字脉冲进行计数获得。
2、像素内计数器包括数字计数器与模拟计数器。数字计数器一般由多个d触发器构成，即使是采用真单相时钟d触发器，所消耗的面积大，不可避免地会降低像素的填充率，较低的填充率会导致探测效率的降低。而模拟计数器一般利用电容的充放电实现计数，相比于数字计数器，结构紧凑面积小、功耗低，有利于提高像素的填充率。除此之外像素内模拟计数器结构简单，计数步长可配置，更适合于阵列化集成。因此需要在激光雷达芯片像素内spad前端电路中设置模拟计数器。
3、已有的模拟计数器电路一般基于scs(switched current source，开关电流源)或cta(charge transfer amplifier，电荷转移放大器)结构。基于scs结构的模拟计数器由于存在一直导通的电流源，功耗大，不符合spad前端电路功耗消耗小的要求，因此一般情况下考虑基于cta的模拟计数器。
4、一种典型的基于cta的模拟计数器如图1所示，采用电荷共享策略。该模拟计数器包括积分电容c1和放电电容cp。φtrg为计数器触发信号脉冲，φd
5、为了解决非线性问题和使计数步长可调，采用电荷注入策略，如图2所示，加入一个nmos源极跟随器msf，从而将vo与cp分开，计数步长不依赖于变化的vo。调节晶体管msf的偏置电压vbias，能够控制每次注入的电荷量，因此可以调节计数步长δvo。但是偏置电压vbias通过源极跟随器msf传输到源极电压时存在一个nmos阈值电压的损耗，阈值电压的波动会导致每次计数的电荷注入量变化，从而计数步长δvo变化。
6、为了避免阈值电压的影响，采用运算放大器辅助的电荷注入策略，如图3所示，引入一个五管放大器，使得mf管的源极电压等于参考电压vref，由此使得从c1到cp注入的为不受阈值电压影响的固定的电荷量，固定电荷量为qp＝cp×vref，计数器线性度更高。
7、采用电荷共享策略的cta模拟计数器，计数步长δvo依赖于输出电压vo，随着持续的向下计数，vo降低，计数步长改变，从而严重影响到计数器的线性度，且步长仅依赖于vo，不可调节。采用电荷注入策略的cta模拟计数器，栅极偏置电压vbias通过源极跟随器传输到其源极电压时存在一个阈值电压的损耗，每次计数的电荷注入量受到阈值电压的影响。由于阈值电压对工艺偏差较敏感，阈值电压波动，因此每次计数步长δvo会有偏差，影响到模拟计数器的线性度。采用运算放大器辅助的电荷注入策略的cta模拟计数器，主要缺点为实际设计时运算放大器对像素内模拟计数器电路的制约和影响。运算放大器所采用的五管放大器结构中存在尾电流源，具有一定的功耗，为了降低此像素内运算放大器的功耗，需要设计一个非常小的尾电流源，增大了一定的设计难度。除此之外，由于运算放大器存在建立时间，利用运算放大器的虚短特性，经过一定的时间，mf管的源极电压才会等于参考电压vref，因此对计数器触发信号脉冲φtrg存在制约。如在计数器触发信号脉冲φtrg使得trg开关导通时间内，运算放大器尚未完成建立，mf管的源极电压不等于参考电压vref，导致注入的电荷量不是由参考电压vref限定的固定电荷量，计数步长δvo存有偏差。
8、除此之外，已有的模拟计数器支持的功能相对单一，仅支持向下计数，无法进行一定复杂程度的激光雷达芯片像素内运算。
技术实现思路
1、为了解决现有技术中存在的上述问题，本专利技术提供了一种应用于激光雷达的高精度多模式模拟计数器。本专利技术要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
2、本专利技术提供了一种应用于激光雷达的高精度多模式模拟计数器，包括向上计数单元、向下计数单元、向上计数逻辑单元、向下计数逻辑单元、第一模式选择开关1、第一模式选择开关2和第二模式选择开关。
3、所述向上计数单元连接所述向上计数逻辑单元和所述向下计数逻辑单元，能够对输入数字脉冲进行向上计数，并且通过所述向上计数逻辑单元产生复位信号以复位所述向上计数单元的计数mos电容，产生进位信号以供向所述下计数单元进行进位计数。
4、所述向下计数单元连接所述向上计数逻辑单元和所述向下计数逻辑单元连接，能够对输入数字脉冲进行向下计数，并且通过所述向下计数逻辑单元产生复位信号以复位所述向下计数单元的计数mos电容，产生进位信号以供所述向上计数单元进行进位计数；
5、所述向上计数单元连接在所述第一模式选择开关1与所述第二模式选择开关之间，所述向下计数单元连接在所述第二模式选择开关与所述第一模式选择开关2之间；所述第一模式选择开关1和所述第一模式选择开关2选择开关具有相同的开关状态，所述第一模式选择开关1和所述第二模式选择开关为互补开关，具有相反的开关状态。
6、在本专利技术的一个实施例中，所述向上计数单元包括数据选择器mux1、数据选择器mux2、数据选择器mux3、反相器inv1、反相器inv2、反相器inv3、反相器inv4、反相器inv5、或门or1、pmos管md1、pmos管mt1、pmos管me1、pmos管mf1、计数mos电容c1、计数mos电容cp1、比较器comp_up和nmos管nm1，其中，
7、所述数据选择器mux1的第一输入端输入外部提供的trig_up信号，第二输入端输入所述向下计数逻辑单元产生的进位信号trig_up_carry，所述数据选择器mux1的输出端连接所述或门or1的第一输入端,；所述数据选择器mux2的第一输入端输入外部提供的dis_up信号，第二输入端输入所述向下计数逻辑单元产生的进位信号dis_up_carry信号，所述数据选择器mux2的输出端连接所述pmos管md1的栅极；所述数据选择器mux1和所述数据选择器mux2的控制端均输入外部控制信号selp；
8、所述pmos管md1的源极连接电源端vdd，所述pmos管md1的漏极同时连接所述mos电容cp1的源极、所述mos电容cp1的漏极、所述pmos管mt本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种应用于激光雷达的高精度多模式模拟计数器，其特征在于，包括向上计数单元、向下计数单元、向上计数逻辑单元、向下计数逻辑单元、第一模式选择开关1、第一模式选择开关2和第二模式选择开关，其中，
2.根据权利要求1所述的应用于激光雷达的高精度多模式模拟计数器，其特征在于，所述向上计数单元包括数据选择器MUX1、数据选择器MUX2、数据选择器MUX3、反相器INV1、反相器INV2、反相器INV3、反相器INV4、反相器INV5、或门OR1、PMOS管MD1、PMOS管MT1、PMOS管ME1、PMOS管MF1、计数MOS电容C1、MOS电容CP1、开关电容比较器COMP_UP和NMOS管NM1，其中，
3.根据权利要求1所述的应用于激光雷达的高精度多模式模拟计数器，其特征在于，所述向上计数逻辑单元包括PMOS管MP1、NMOS管MC1、反相器INV6、反相器INV7、反相器INV8、反相器INV9、反相器INV10、反相器INV11、D触发器DFF1、与门AND1、与门AND2、与门AND3、或门OR2、延迟线D1、延迟线D2和延迟线D3，其中，
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