【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于光电探测，尤其涉及一种相关探测技术结合子母tdc的spad阵列宏像素读出电路。
技术介绍
1、单光子雪崩二极管(single photon avalanche diode，简称spad)，当前spad阵列读出电路向着低噪声方向发展，常见的低噪声技术有多回波探测技术、像素内直方图、相关探测技术。多回波探测技术需要在每个读出电路像素中放置多个存储器，所需面积大，且该方法数据量大，限制了在spad面阵中的应用。像素内直方图技术在片上实现数据预处理，由于片上数据处理资源有限，难以实现大面阵数据的实时处理，且不适用环境复杂的远距离探测。相关探测技术根据激光回波具有时空相关性，激光回波光子会在短时间内触发面阵上相邻的spad，而环境光噪声和暗计数是随机的，短时间内触发面阵上相邻spad的概率低。可以利用两者相关性的不同来滤除噪声。该技术基于包含多个spad的宏像素，通过判断宏像素在短时间内是否有多个spad被触发来判断探测到的光子是否是激光回波，该技术面积需求较小，且能够直接滤除无效噪声数据，减少了数据传输量，适用于面阵，但该技术以整个宏像素为单元来获取光子飞行时间(time of flight,tof)，所得tof对应整个宏像素，不能分辨光子是由宏像素内哪个spad探测得到，因此损失了spad面阵的横向分辨率。
技术实现思路
1、专利技术目的：针对基于宏像素的相关探测技术降低spad面阵横向分辨率的问题，本专利技术提供了一种相关探测结合子母时间数字转换器(time-to-dig
2、技术方案：本专利技术的一种相关探测技术结合子母tdc的spad阵列宏像素读出电路，所述宏像素读出电路包括主动淬灭电路aqc、时间窗生成电路、自恢复电路、子时间数字转换器tdc、母时间数字转换器tdc、相关探测电路和并转串电路；
3、所述宏像素读出电路的输入端为主动淬灭电路aqc连接2x2单光子雪崩二极管spad的输出端，主动淬灭电路aqc的输出端连接时间窗生成电路和自恢复电路，时间窗生成电路的输出端连接子时间数字转换器tdc和相关探测电路，相关探测电路的输出端连接母时间数字转换器tdc和自恢复电路，自恢复电路的输出端连接主动淬灭电路aqc，子时间数字转换器tdc和母时间数字转换器tdc的输出端连接并转串电路，并转串电路作为所述宏像素读出电路的输出端将子时间数字转换器tdc和母时间数字转换器tdc的数据向外输出。
4、本专利技术的一种相关探测结合子母tdc的spad阵列宏像素读出电路的工作逻辑为：所述的像素读出电路在外部输入的门控曝光信号en为高时，进入曝光阶段，当spad检测到光子，spad被对应的aqc淬灭，aqc输出高电平给时间窗生成电路和自恢复电路，自恢复电路开始计时，时间窗生成电路产生固定脉宽的脉冲来触发子tdc进行计时，同时将脉冲输出到相关探测电路，再由相关探测电路判断是否有超过阈值数量的spad触发，如果有，则判断当前探测到的光子事件有效，子tdc立即停止计时，同时母tdc开始计时直至en变低电平，且自恢复电路停止计时；否则，子tdc立即停止计时并立刻复位该子tdc，并且自恢复电路保持计时，经过hold-off时间后将对应spad复位至盖革区。当en变为低电平时，将子母tdc模块内的光子飞行时间数据通过并转串电路传输到宏像素外。
5、进一步的，所述主动淬灭电路aqc包括反馈电路和电平转换电路，当外部输入的rec信号为高时，淬灭电路aqc将单光子雪崩二极管spad的阳极下拉至低电位，使单光子雪崩二极管spad复位至盖革区，当单光子雪崩二极管spad被光子触发时，spad产生雪崩电流，雪崩电流给spad阳极节点寄生电容充电，使spad阳极电位开始抬升，淬灭电路aqc的正反馈回路加速了spad阳极电位的抬升，将单光子雪崩二极管spad的阳极上拉至高电平，使单光子雪崩二极管spad淬灭，并将高电压的模拟高电平转换为低电压的数字高电平。
6、进一步的，所述时间窗生成电路为压控单稳态电路，压控单稳态电路连接延迟锁相环dll，当所述主动淬灭电路aqc输出高电平时，对应连接的时间窗生成电路产生一个脉宽可调的高电平脉冲，脉冲宽度由外部输入的模拟电压vwin控制，模拟电压vwin由像素阵列外围的延迟锁相环dll产生，生成的脉冲输出到子时间数字转换器tdc和相关探测电路。
7、进一步的，所述相关探测电路为组合逻辑电路，输入为时间窗生成电路的输出，输出是相关探测判断信号valid；从外部输入的控制信号set0、set1控制相关探测的判断阈值数，判断阈值数设置为1～4，当有满足阈值数量的脉冲在时间上交叠，相关探测电路的输出valid跳变为高电平，如果没有满足阈值数量，则相关探测电路的输出valid保持低电平。
8、进一步的，所述子时间数字转换器tdc包括4位的相位内插型tdc和3位的计数型tdc，时间窗生成电路输出的脉冲触发子时间数字转换器tdc进行时间间隔量化，若在脉冲结束前相关探测电路输出valid跳变为高电平，则子时间数字转换器tdc停止时间间隔量化并保持数据；若在脉冲结束时相关探测电路输出valid保持为低电平，则子时间数字转换器tdc停止时间间隔量化并立即复位。相位内插型tdc在时间窗生成电路输出脉冲的时刻采样外部输入的多相时钟的相位。计数型tdc在时间窗生成电路输出脉冲的时刻开启，在脉冲结束前相关探测电路输出valid跳变为高电平或在脉冲结束时相关探测电路输出valid保持为低电平，则计数型tdc关闭，这个时间间隔内计数型tdc计数外部输入时钟的周期数。
9、进一步的，所述母时间数字转换器tdc为高段10位计数型tdc，若相关探测电路输出valid跳变为高电平，则母时间数字转换器tdc进行时间间隔量化至外部输入的曝光窗信号en跳低；若相关探测电路输出valid保持为低电平，母时间数字转换器tdc不进行时间间隔量化。
10、进一步的，所述自恢复电路包括cmos传输门a、cmos传输门b、计数器、单稳态电路和电平转换电路；所述cmos传输门a连接cmos传输门b，cmos传输门b连接计数器，计数器连接单稳态电路，单稳态电路连接电平转换电路；所述自恢复电路的输出与所述主动淬灭电路aqc相连，控制spad的自恢复，外部输入的时钟clk_dead连接到所述自恢复电路的cmos传输门a，当外部输入的曝光窗信号en跳变为高电平时，cmos传输门a导通，当spad被触发时，cmos传输门b被导通，外部输入的时钟clk_dead传输到计数器，计数器开始计数，若相关探测电路输出vaild跳变为高电平，则总cmos传输门关闭，计数器停止计数，若相关探测电路输出valid保持低电平，则计数器会计数至预设值并输出高电平，进而触发单稳态电路生成1个脉宽可调的本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种相关探测技术结合子母TDC的SPAD阵列宏像素读出电路，其特征在于，所述宏像素读出电路包括主动淬灭电路AQC、时间窗生成电路、自恢复电路、子时间数字转换器TDC、母时间数字转换器TDC、相关探测电路和并转串电路；
2.根据权利要求1所述的一种相关探测技术结合子母TDC的SPAD阵列宏像素读出电路，其特征在于，所述主动淬灭电路AQC包括反馈电路和电平转换电路；当外部输入的REC信号为高时，主动淬灭电路AQC将单光子雪崩二极管SPAD的阳极下拉至低电位，使单光子雪崩二极管SPAD复位至盖革区，当单光子雪崩二极管SPAD被光子触发时，SPAD产生雪崩电流，雪崩电流给SPAD阳极节点寄生电容充电，使SPAD阳极电位开始抬升，主动淬灭电路AQC的正反馈回路加速SPAD阳极电位的抬升，将单光子雪崩二极管SPAD的阳极上拉至高电平，使单光子雪崩二极管SPAD淬灭，并将高电压的模拟高电平转换为低电压的数字高电平。
3.根据权利要求1所述的一种相关探测技术结合子母TDC的SPAD阵列宏像素读出电路，其特征在于，所述时间窗生成电路为压控单稳态电路，压控单稳态电路连接延
4.根据权利要求1所述的一种相关探测技术结合子母TDC的SPAD阵列宏像素读出电路，其特征在于，所述相关探测电路为组合逻辑电路，输入为时间窗生成电路的输出，输出是相关探测判断信号VALID；从外部输入的控制信号SET0、SET1控制相关探测的判断阈值数，判断阈值数设置为1～4，当有满足阈值数量的脉冲在时间上交叠，相关探测电路的输出VALID跳变为高电平，如果没有满足阈值数量，则相关探测电路的输出VALID保持低电平。
5.根据权利要求1所述的一种相关探测技术结合子母TDC的SPAD阵列宏像素读出电路，其特征在于，所述子时间数字转换器TDC包括4位的相位内插型TDC和3位的计数型TDC，时间窗生成电路输出的脉冲触发子时间数字转换器TDC进行时间间隔量化，若在脉冲结束前相关探测电路输出VALID跳变为高电平，则子时间数字转换器TDC停止时间间隔量化并保持数据；若在脉冲结束时相关探测电路输出VALID保持为低电平，则子时间数字转换器TDC停止时间间隔量化并立即复位。
6.根据权利要求1所述的一种相关探测技术结合子母TDC的SPAD阵列宏像素读出电路，其特征在于，所述母时间数字转换器TDC为高段10位计数型TDC，若相关探测电路输出VALID跳变为高电平，则母时间数字转换器TDC进行时间间隔量化至外部输入的曝光窗信号EN的高电平结束；若相关探测电路输出VALID保持为低电平，母时间数字转换器TDC不进行时间间隔量化。
7.根据权利要求1所述的一种相关探测技术结合子母TDC的SPAD阵列宏像素读出电路，其特征在于，所述自恢复电路包括CMOS传输门A、CMOS传输门B、计数器、单稳态电路和电平转换电路；所述CMOS传输门A连接CMOS传输门B，CMOS传输门B连接计数器，计数器连接单稳态电路，单稳态电路连接电平转换电路；所述自恢复电路的输出与所述主动淬灭电路AQC相连，控制SPAD的自恢复，外部输入的时钟CLK_DEAD连接到所述自恢复电路的CMOS传输门A，当外部输入的曝光窗信号EN跳变为高电平时，CMOS传输门A导通，当SPAD被触发时，CMOS传输门B被导通，外部输入的时钟CLK_DEAD传输到计数器，计数器开始计数，若相关探测电路输出VAILD跳变为高电平，则总CMOS传输门关闭，计数器停止计数，若相关探测电路输出VALID保持低电平，则计数器会计数至预设值并输出高电平，进而触发单稳态电路生成1个脉宽可调的高电平脉冲，该高电平脉冲输出到所述的主动淬灭电路AQC，使对应SPAD复位到盖革区。
...【技术特征摘要】
1.一种相关探测技术结合子母tdc的spad阵列宏像素读出电路，其特征在于，所述宏像素读出电路包括主动淬灭电路aqc、时间窗生成电路、自恢复电路、子时间数字转换器tdc、母时间数字转换器tdc、相关探测电路和并转串电路；
2.根据权利要求1所述的一种相关探测技术结合子母tdc的spad阵列宏像素读出电路，其特征在于，所述主动淬灭电路aqc包括反馈电路和电平转换电路；当外部输入的rec信号为高时，主动淬灭电路aqc将单光子雪崩二极管spad的阳极下拉至低电位，使单光子雪崩二极管spad复位至盖革区，当单光子雪崩二极管spad被光子触发时，spad产生雪崩电流，雪崩电流给spad阳极节点寄生电容充电，使spad阳极电位开始抬升，主动淬灭电路aqc的正反馈回路加速spad阳极电位的抬升，将单光子雪崩二极管spad的阳极上拉至高电平，使单光子雪崩二极管spad淬灭，并将高电压的模拟高电平转换为低电压的数字高电平。
3.根据权利要求1所述的一种相关探测技术结合子母tdc的spad阵列宏像素读出电路，其特征在于，所述时间窗生成电路为压控单稳态电路，压控单稳态电路连接延迟锁相环dll，当所述主动淬灭电路aqc输出高电平时，对应连接的时间窗生成电路产生脉宽可调的高电平脉冲，脉冲宽度由外部输入的模拟电压vwin控制，模拟电压vwin由像素阵列外围的延迟锁相环dll产生，生成的脉冲输出到子时间数字转换器tdc和相关探测电路。
4.根据权利要求1所述的一种相关探测技术结合子母tdc的spad阵列宏像素读出电路，其特征在于，所述相关探测电路为组合逻辑电路，输入为时间窗生成电路的输出，输出是相关探测判断信号valid；从外部输入的控制信号set0、set1控制相关探测的判断阈值数，判断阈值数设置为1～4，当有满足阈值数量的脉冲在时间上交叠，相关探测电路的输出valid跳变为高电平，如果没有满足阈值数量，则相关探测电路的输出valid保持低电平。
5.根据权利要...
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