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一种高动态范围的时间-幅度转换电路及其测量方法

阅读：1047发布：2020-05-23

专利汇可以提供一种高动态范围的时间-幅度转换电路及其测量方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种高动态范围的时间-幅度转换电路，属于单光子探测技术领域，其包括积分定时模块和行选读出模块，积分定时模块的输入端与积分信号产生逻辑和反馈控制逻辑的输出端分别相连，积分定时模块的输出端与反馈控制逻辑和行选读出模块的输入端分别相连；本发明还公开了其测量方法，利用模拟定时检测光子飞行时间的方案，采用折叠积分法并对积分电容正极板的电荷进行监测，在保证电路的版图面积小、功耗低和像素填充因子的同时，有效地提高了电压摆幅的动态范围，提高时间分辨率、测量精度，并降低了开关节点处的时钟馈通效应，有效减缓了开关关闭后的漏电现象，提高了保持时间，还降低制造成本低，各电路之间的性能一致性好，成品率高。，下面是一种高动态范围的时间-幅度转换电路及其测量方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种高动态范围的时间-幅度转换电路，其特征在于：包括积分定时模块和行选读出模块，所述的积分定时模块的输入端与积分信号产生逻辑和反馈控制逻辑的输出端分别相连，所述的积分定时模块的输出端与反馈控制逻辑和行选读出模块的输入端分别相连；所述的积分定时模块的输入信号包括外部复位信号Rst、外部输入参考电压Vbias和所述的积分信号产生逻辑的输出端向积分定时模块输入的Integral_Signal信号；所述的积分信号产生逻辑的输入信号包括外部光子雪崩信号Photon、外部启动信号Start和外部停止信号Stop；所述的行选读出模块的输入信号为外部行选读出信号Read，所述的行选读出模块的输出端Out连接到外部输出端。
2.根据权利要求1所述的一种高动态范围的时间-幅度转换电路，其特征在于：所述的积分信号产生逻辑包括两个RS触发器和一个与门AND1，两个RS触发器分别为RSFF1和RSFF2；所述的RSFF1的置1端S连接外部光子雪崩信号Photon，所述的RSFF1的置0端R连接外部停止信号Stop，所述的RSFF1的输出端Q产生的积分使能信号Integral_Enable连接与门AND1的一个输入端；所述的RSFF2的置1端S连接外部启动信号Start，所述的RSFF2的置0端R连接外部停止信号Stop， RSFF2的输出端Q端产生的积分区间信号Integral_Range和与门AND1的另一个输入端连接，所述的与门AND1输出的Integral_Signal信号连接到积分定时模块。
3.根据权利要求2所述的一种高动态范围的时间-幅度转换电路，其特征在于：所述的积分定时模块包括两个积分电容、三个NMOS管、第一PMOS管、运放A1以及恒流源Ibias；所述的两个积分电容分别为C1和C2，所述的三个NMOS管分别为MN0、MN1、MN4，所述的第一PMOS管为MP0；所述的MN4的栅极连接积分信号产生逻辑中的与门AND1的输出端产生的积分信号Integral_Signal，MN4的漏极与恒流源Ibias的负极连接，所述的恒流源Ibias的正极与电源电压VDD连接，所述的C1和C2的正极板相互连接并与MN4的源极、MN0的漏极和运放A1的同相输入端相连接；所述的运放A1的反相输入端与它的输出端产生的标志信号Flag相连接并连接到反馈控制逻辑中的运放A2的同相输入端；所述的C1的负极板相互连接到地，所述的C2的负极板与MN1的漏极和MP0的漏极相连接；所述的MN0的栅极接外部复位信号Rst，并且MN0的源极连接到地，所述的MN1的源极接地，所述的MN1的栅极和MP0的栅极一起与反馈控制逻辑相连，所述的MP0的源极连接电源电压VDD。
4.根据权利要求3所述的一种高动态范围的时间-幅度转换电路，其特征在于：所述的反馈控制逻辑包括运放A2，两个NMOS管、第二PMOS管、与门AND0，一个或非门NOR和一个反相器INV0；所述的两个NMOS管分别为MN2、MN3，所述的第二PMOS管为MP1；其中，所述的运放A2的同相输入端与积分定时模块中的运放A1输出端产生的标志信号Flag相连接；所述的运放A2的反相输入端连接外部输入参考电压Vbias，所述的运放A2的输出端分别连接MN2的漏极、MN3的栅极和MP1的栅极；所述的MN2的栅极连接外部复位信号Rst，并且MN2的源极连接到地；所述的MP1的源极与电源电压VDD相连接，MP1的漏极与MN3的漏极相连接，并连接到与门AND0的一个输入端，MN3的漏极连接到地；所述的与门AND0的另一个输入端与反相器INV0的输出端相连接，所述的与门AND0的输出端连接到或非门NOR的一个输入端，所述的或非门NOR的另一个输入端连接到外部复位信号Rst，或非门NOR的输出端与反相器INV0的输入端连接，或非门NOR产生的二次积分使能信号Second_Signal与积分定时模块连接。
5.根据权利要求4所述的一种高动态范围的时间-幅度转换电路，其特征在于：所述的行选读出模块包括第三PMOS管，所述的第三PMOS管包括MP2和MP3；所述的MP2的栅极与所述的C1的正极板、C2的正极板、所述的MN0的漏极、所述的MN4的源极以及运放A1的同相输入端相连接，所述的MP2的漏极连接到地，所述的MP2的源极连接到所述的MP3的漏极，所述的MP3的栅极连接外部行选读出信号Read，并且MP3的的源极连接到输出端Out。
6.根据权利要求4所述的一种高动态范围的时间-幅度转换电路，其特征在于：所述的积分定时模块中的积分电容C2、MOS管MP0、MN1以及反馈控制逻辑中的与门AND0、或非门NOR、反相器INV0组成二次折叠式积分测量电路，当进行n次折叠式积分测量时，此时n次折叠式积分电路在二次折叠式积分测量电路增加n-2组积分折叠测量单元，所述的积分折叠测量单元包括积分电容Cn、PMOS管MP、NMOS管MN、以及一个缓冲器Buffer、一个或门Or、一个与门AND、一个或非门NOR和一个反相器INV，其中或门Or的输出与反馈控制逻辑中的与门AND相连接，或门Or的一个输入端与PMOS管MP1及NMOS管MN3的漏极相连接，它的另一个输入端与缓冲器Buffer的输出端相连接，缓冲器Buffer的输入端与原有的二次折叠式积分测量电路中的INV0的输出端相连接；此外，或非门NOR的输入端与外部复位信号Rst连接，它的输出端与PMOS管MP和NMOS管MN的栅极相连接，并记为n次积分使能信号n_Enable，积分电容Cn的正极板与积分电容C1、C2的正极板相连接，它的负极板连接NMOS管MN以及PMOS管MP的漏极，MN的源极接地，MP的源极接电源电源VDD，其中，n≥3。
7.权利要求5-6中任一项所述的一种高动态范围的时间-幅度转换电路的测量方法，其特征在于，即在二次折叠式积分电路上进行测量，包括如下步骤：
1）启动复位阶段：系统上电，先对系统进行复位清零，外部复位信号Rst变成高电平，C1、C2的正极板上的电压被清零，系统输出端Out被清零；或非门NOR的输出端二次积分使能信号Second_Enable为低电平，系统在第一段积分过程中，只要积分电压未超过外部输入参考电压Vbias，二次积分使能信号Second_Enable始终保持为低电平；随后，发射激光的开始信号Start信号变为高电平，系统开始发射激光探测物体，积分使能信号Integral_Enable在RSFF2的作用下被开始信号Start触发变为高电平，电路开始积分，此时系统等待返回回来的光子；
2）积分定时阶段：当光子信号Photon返回被检测到时，恒流源Ibias开始对C1进行第一段充电，此时由于积分电压未能达到外部输入参考电压Vbias，运放A2的输出端为低电平，因此C2未被开启，不能参与第一阶段的积分；当C1的积分电压上升到外部输入参考电压Vbias的值时，积分电容C2的负极板被拉到低电平，积分电容C1和积分电容C2并联，一起进入第二阶段的积分直到外部停止信号Stop变为高电平时；
3）停止计时阶段：当外部停止信号Stop变成高电平时，输出的积分信号Integral_Signal也变为低电平，恒流源Ibias停止向积分电容C1、C2输送电流，停止积分，此时C1、C2上的电压值保持不变；此时，电路实现了折叠式积分，电压摆幅成倍增大；
4）信号读出阶段：当外部停止信号Stop结束后，外部行选读出信号Read由初始的高电平变成低电平，将C1、C2上的电压值传输到输出端Out；本发明通过利用比较器，运用C2将第一段积分电压释放，重新开始新一段的积分从而将积分电压的摆幅范围扩大，若二次积分使能信号Second_Enable为高电平，则判断第一段积分电压必定为外部输入参考电压Vbias，那么总电压值为Vtotal=Vbias+Vsecond，而第二次积分电压的幅值通过调节C2的值改变；若二次积分使能信号Second_Enable为低电平，则说明积分电压未能达到外部输入参考电压值，那么此时将直接读出该电压值；因此，当返回的光子信号Photon被检测到的时间早，则积分时间长，那么进行两段积分，电压摆幅大；如果返回的光子信号Photon被检测到的时间晚，则积分时间短，那么进行一段积分，电压摆幅小；从而实现了积分电压摆幅扩大，直接提高测量范围和时间分辨率；积分电压值与光子飞行时间呈线性正比关系，因此，根据输出的电压值计算出测量时间Tmeasure，而已知外部启动信号Start和外部停止信号Stop的时间间隔Ttotal，根据公式TOF=Ttotal-Tmeasure计算出光子飞行时间TOF。
8.根据权利要求7所述的一种高动态范围的时间-幅度转换电路的测量方法，其特征在于：在所述的二次折叠积分的基础上实现三次以上的折叠积分，首先，再加入一个积分电容Cn以及一个PMOS管MP、一个NMOS管MN、一个缓冲器Buffer、一个或门Or和与门AND、或非门NOR、以及反相器INV的控制逻辑；其次，将新加的与或非门控制逻辑的输出三次积分使能信号n_Enable连接至PMOS管MP和NMOS管MN的栅极进行三次积分使能的控制，其测量方法如下，当第一次积分电压达到外部输入参考电压Vbias时将C1的正极板清零并将第二次反馈的信号给C2开始二次折叠式积分，当进入第二次折叠积分时，如果积分电压未能超过外部参考电压Vbias，则三次积分使能信号n_Enable无效，不触发三次折叠积分，如果积分电压超过外部参考电压Vbias，运放A2的输出经过三次控制逻辑使三次积分使能信号有效，开启积分电容C使其与C1、C2并联，即进入三次折叠式积分；如需三次以上折叠积分，则对积分测量单元进行折叠增加，并在三次基础上再次对n次积分使能进行相同逻辑过程，即实现三次以上折叠积分。

说明书全文

一种高动态范围的时间-幅度转换电路及其测量方法

技术领域

[0001] 本发明属于单光子探测技术领域，具体涉及一种高动态范围的时间-幅度转换电路及其测量方法。

背景技术

[0002] 单光子雪崩光电二极管（Single-Photon Avalanche Diode, SPAD）具有雪崩增益高、单光子响应速度快、探测灵敏度高、制造成本低和功耗低等显著优势，能够获得光子信号的时间和空间信息，已在激光测距、生物荧光寿命成像和3D成像等方面显示出广泛的应用前景。

[0003] 目前基于时间相关的单光子成像芯片主要采取时间-数字转换 (Time-to- Digital Convert，TDC）的光子飞行时间测量法，尽管TDC电路具有较高的时间分辨率以及较强的抑制噪声能力和抗干扰能力，但它的结构复杂，晶体管数量庞大，功耗较大，且占用的芯片面积过大，严重影响了集成探测器像素单元的填充因子，造成阵列密度和集成度不高。

[0004] 在工艺尺寸不断减小的大背景下，有效地提高探测精度，距离分辨率、时间分辨率，并且需要减小像素单元的面积，提高像素单元的填充因子就成为了亟待解决的问题。

[0005] 时间-幅度转换(Time-to-Amplitude Convert, TAC)方法的电路实现方案简单，采用的晶体管数量远小于TDC电路，可以显著提高像素单元的填充因子，因此有必要对TAC电路进行进一步研究。

[0006] 然而现有的TAC电路积分电压受到电源电压的限制，电压摆幅范围小、无法对电压进行高精度的量化，存在满量程时间短、时间分辨率低等问题，因此非常必要提出一种新型的TAC电路结构。

发明内容

[0007] 发明目的：本发明的目的在于提供一种高动态范围的时间-幅度转换电路及其测量方法，应用于单光子探测器，在固定的积分时长内，电压积分范围实现成倍提高从而增大测量范围，提高时间分辨率，同时降低了电路的复杂程度和电路的面积，有效地增加了像素单元的填充因子，可以极大程度提高阵列的集成度。

[0008] 技术方案：为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种高动态范围的时间-幅度转换电路，包括积分定时模块和行选读出模块，所述的积分定时模块的输入端与积分信号产生逻辑和反馈控制逻辑的输出端分别相连，所述的积分定时模块的输出端与反馈控制逻辑和行选读出模块的输入端分别相连；所述的积分定时模块的输入信号包括外部复位信号Rst、外部输入参考电压Vbias和所述的积分信号产生逻辑的输出端向积分定时模块输入的Integral_Signal信号；所述的积分信号产生逻辑的输入信号包括外部光子雪崩信号Photon、外部启动信号Start和外部停止信号Stop；所述的行选读出模块的输入信号为外部行选读出信号Read，所述的行选读出模块的输出端Out连接到外部输出端。

[0009] 进一步的，所述的积分信号产生逻辑包括两个RS触发器和一个与门AND1，两个RS触发器分别为RSFF1和RSFF2；所述的RSFF1的置1端S连接外部光子雪崩信号Photon，所述的RSFF1的置0端R连接外部停止信号Stop，所述的RSFF1的输出端Q产生的积分使能信号Integral_Enable连接与门AND1的一个输入端；所述的RSFF2的置1端S连接外部启动信号Start，所述的RSFF2的置0端R连接外部停止信号Stop， RSFF2的输出端Q端产生的积分区间信号Integral_Range和与门AND1的另一个输入端连接，所述的与门AND1输出的Integral_Signal信号连接到积分定时模块。

[0010] 进一步的，所述的积分定时模块包括两个积分电容、三个NMOS管、第一PMOS管、运放A1以及恒流源Ibias；所述的两个积分电容分别为C1和C2，所述的三个NMOS管分别为MN0、MN1、MN4，所述的第一PMOS管为MP0；所述的MN4的栅极连接积分信号产生逻辑中的与门AND1的输出端产生的积分信号Integral_Signal，MN4的漏极与恒流源Ibias的负极连接，所述的恒流源Ibias的正极与电源电压VDD连接，所述的C1和C2的正极板相互连接并与MN4的源极、MN0的漏极和运放A1的同相输入端相连接；所述的运放A1的反相输入端与它的输出端产生的标志信号Flag相连接并连接到反馈控制逻辑中的运放A2的同相输入端；所述的C1的负极板相互连接到地，所述的C2的负极板与MN1的漏极和MP0的漏极相连接；所述的MN0的栅极接外部复位信号Rst，并且MN0的源极连接到地，所述的MN1的源极接地，所述的MN1的栅极和MP0的栅极一起与反馈控制逻辑相连，所述的MP0的源极连接电源电压VDD。

[0011] 进一步的，所述的反馈控制逻辑包括运放A2，两个NMOS管、第二PMOS管、与门AND0，一个或非门NOR和一个反相器INV0；所述的两个NMOS管分别为MN2、MN3，所述的第二PMOS管为MP1；其中，所述的运放A2的同相输入端与积分定时模块中的运放A1输出端产生的标志信号Flag相连接；所述的运放A2的反相输入端连接外部输入参考电压Vbias，所述的运放A2的输出端分别连接MN2的漏极、MN3的栅极和MP1的栅极；所述的MN2的栅极连接外部复位信号Rst，并且MN2的源极连接到地；所述的MP1的源极与电源电压VDD相连接，MP1的漏极与MN3的漏极相连接，并连接到与门AND0的一个输入端，MN3的漏极连接到地；所述的与门AND0的另一个输入端与反相器INV0的输出端相连接，所述的与门AND0的输出端连接到或非门NOR的一个输入端，所述的或非门NOR的另一个输入端连接到外部复位信号Rst，或非门NOR的输出端与反相器INV0的输入端连接，或非门NOR产生的二次积分使能信号Second_Signal与积分定时模块连接。

[0012] 进一步的，所述的行选读出模块包括第三PMOS管，所述的第三PMOS管包括MP2和MP3；所述的MP2的栅极与所述的C1的正极板、C2的正极板、所述的MN0的漏极、所述的MN4的源极以及运放A1的同相输入端相连接，所述的MP2的漏极连接到地，所述的MP2的源极连接到所述的MP3的漏极，所述的MP3的栅极连接外部行选读出信号Read，并且MP3的的源极连接到输出端Out。

[0013] 进一步的，所述的积分定时模块中的积分电容C2、MOS管MP0、MN1以及反馈控制逻辑中的与门AND0、或非门NOR、反相器INV0组成二次折叠式积分测量电路，当进行n次折叠式积分测量时，此时n次折叠式积分电路在二次折叠式积分测量电路增加n-2组积分折叠测量单元，所述的积分折叠测量单元包括积分电容Cn以及PMOS管MP、NMOS管MN、以及一个缓冲器Buffer、一个或门Or、一个与门AND、一个或非门NOR和一个反相器INV，其中或门Or的输出与反馈控制逻辑中的与门AND相连接，或门Or的一个输入端与PMOS管MP1及NMOS管MN3的漏极相连接，它的另一个输入端与缓冲器Buffer的输出端相连接，缓冲器Buffer的输入端与原有的二次折叠式积分测量电路中的INV0的输出端相连接；此外，或非门NOR的输入端与外部复位信号Rst连接，它的输出端与PMOS管MP和NMOS管MN的栅极相连接，并记为n次积分使能信号n_Enable，积分电容Cn的正极板与积分电容C1、C2的正极板相连接，它的负极板连接NMOS管MN以及PMOS管MP的漏极，MN的源极接地，MP的源极接电源电源VDD，其中，n≥3。

[0014] 进一步的，一种高动态范围的时间-幅度转换电路的测量方法，即在二次折叠式积分电路上进行测量，包括如下步骤：1）启动复位阶段：系统上电，先对系统进行复位清零，外部复位信号Rst变成高电平，C1、C2的正极板上的电压被清零，系统输出端Out被清零；或非门NOR的输出端二次积分使能信号Second_Enable为低电平，系统在第一段积分过程中，只要积分电压未超过外部输入参考电压Vbias，二次积分使能信号Second_Enable始终保持为低电平；随后，发射激光的开始信号Start信号变为高电平，系统开始发射激光探测物体，积分使能信号Integral_Enable在RSFF2的作用下被开始信号Start触发变为高电平，电路开始积分，此时系统等待返回回来的光子；
2）积分定时阶段：当光子信号Photon返回被检测到时，恒流源Ibias开始对C1进行第一段充电，此时由于积分电压未能达到外部输入参考电压Vbias，运放A2的输出端为低电平，因此C2未被开启，不能参与第一阶段的积分；当C1的积分电压上升到外部输入参考电压Vbias的值时，积分电容C2的负极板被拉到低电平，积分电容C1和积分电容C2并联，一起进入第二阶段的积分直到外部停止信号Stop变为高电平时；
3）停止计时阶段：当外部停止信号Stop变成高电平时，输出的积分信号Integral_Signal也变为低电平，恒流源Ibias停止向积分电容C1、C2输送电流，停止积分，此时C1、C2上的电压值保持不变；此时，电路实现了折叠式积分，电压摆幅成倍增大；
4）信号读出阶段：当外部停止信号Stop结束后，外部行选读出信号Read由初始的高电平变成低电平，将C1、C2上的电压值传输到输出端Out；本发明通过利用比较器，运用C2将第一段积分电压释放，重新开始新一段的积分从而将积分电压的摆幅范围扩大，若二次积分使能信号Second_Enable为高电平，则判断第一段积分电压必定为外部输入参考电压Vbias，那么总电压值为 Vtotal=Vbias+Vsecond，而第二次积分电压的幅值通过调节C2的值改变；若二次积分使能信号Second_Enable为低电平，则说明积分电压未能达到外部输入参考电压值，那么此时将直接读出该电压值；因此，当返回的光子信号Photon被检测到的时间早，则积分时间长，那么进行两段积分，电压摆幅大；如果返回的光子信号Photon被检测到的时间晚，则积分时间短，那么进行一段积分，电压摆幅小；从而实现了积分电压摆幅扩大，直接提高测量范围和时间分辨率；积分电压值与光子飞行时间呈线性正比关系，因此，根据输出的电压值计算出测量时间Tmeasure，而已知外部启动信号Start和外部停止信号Stop的时间间隔Ttotal，根据公式TOF=Ttotal-Tmeasure计算出光子飞行时间TOF。

[0015] 进一步的，在所述的二次折叠积分的基础上实现三次以上的折叠积分，首先，再加入一个积分电容Cn、一个PMOS管MP、一个NMOS管MN、一个缓冲器Buffer、一个或门Or和与门AND、或非门NOR、以及反相器INV的控制逻辑；其次，将新加的与或非门控制逻辑的输出三次积分使能信号n_Enable连接至PMOS管MP和NMOS管MN的栅极进行三次积分使能的控制，其测量方法如下，当第一次积分电压达到外部输入参考电压Vbias时将C1的正极板清零并将第二次反馈的信号给C2开始二次折叠式积分，当进入第二次折叠积分时，如果积分电压未能超过外部参考电压Vbias，则三次积分使能信号n_Enable无效，不触发三次折叠积分，如果积分电压超过外部参考电压Vbias，运放A2的输出经过三次控制逻辑使三次积分使能信号有效，开启积分电容Cn使其与C1、C2并联，即进入三次折叠式积分；如需三次以上折叠积分，则对积分测量单元进行折叠增加，并在三次基础上再次对n次积分使能进行相同逻辑过程，即实现三次以上折叠积分。

[0016] 有益效果：与现有技术相比，本发明的一种高动态范围的时间-幅度转换电路，采用两个积分电容C1、C2，以及9个MOS晶体管，选取最小尺寸MOS和小尺寸积分电容从而保证了电路密度和集成度，且制造采用CMOS工艺，制造成本低，各级电路的一致性好、成品率高；同时采用两个RSFF1、RSFF2，两个运放单元A1、A2，两个与门AND0、AND1，一个或非门NOR，一个反相器INV0的逻辑控制单元，电路采用最简的五管比较单元以及最简的门级逻辑，保证版图面积较小，有效地提高了像素单元地填充因子；本发明的测量方法通过积分电压与外部输入参考电压Vbias比较得到的电平变化信息控制积分电容C2放电清零和二次积分，从而实现对积分电压的摆幅范围扩大的显著结果，即使在1.8V的电源电压下也可以将总的积分电压输出范围提高到2.2V，因此实现了即使对积分电压进行更高位的数字量化，也可以保证最低电压差与噪声电压的容错阈值，有效地提高了时间分辨率和测量精度，提高测量范围；同时，本发明在二次折叠式积分电路的基础上进行改进，如需三次以上折叠积分，则对积分测量单元进行折叠增加，并在三次基础上再次对n次积分使能进行相同逻辑过程，即实现三次以上折叠积分。
附图说明

[0017] 图1为时间-幅度转换电路总体结构框图；图2为时间-幅度转换电路原理图；
图3为时间-幅度转换电路的工作时序图；
图4为时间-幅度转换电路的基础上进行三次折叠式积分电路原理图；
图5为时间-幅度转换电路的仿真结果图。

具体实施方式

[0018] 为了更好地理解本发明专利的内容，下面结合附图和具体实施例来进一步说明本发明的技术方案。

[0019] 如图1-5所示，一种高动态范围的时间-幅度转换电路，包括积分定时模块和行选读出模块，积分定时模块的输入端与积分信号产生逻辑和反馈控制逻辑的输出端分别相连，积分定时模块的输出端与反馈控制逻辑和行选读出模块的输入端分别相连；积分定时模块的输入信号包括外部复位信号Rst、外部输入参考电压Vbias和积分信号产生逻辑的输出端向积分定时模块输入的Integral_Signal信号；积分信号产生逻辑的输入信号包括外部光子雪崩信号Photon、外部启动信号Start和外部停止信号Stop；行选读出模块的输入信号为外部行选读出信号Read，行选读出模块的输出端Out连接到外部输出端。

[0020] 积分信号产生逻辑包括两个RS触发器和一个与门AND1，两个RS触发器分别为RSFF1和RSFF2；RSFF1的置1端S连接外部光子雪崩信号Photon，RSFF1的置0端R连接外部停止信号Stop，RSFF1的输出端Q产生的积分使能信号Integral_Enable连接与门AND1的一个输入端；RSFF2的置1端S连接外部启动信号Start，RSFF2的置0端R连接外部停止信号Stop，RSFF2的输出端Q端产生的积分区间信号Integral_Range和与门AND1的另一个输入端连接，与门AND1输出的Integral_Signal信号连接到积分定时模块。

[0021] 积分定时模块包括两个积分电容、三个NMOS管、第一PMOS管、运放A1以及恒流源Ibias；两个积分电容分别为C1和C2，三个NMOS管分别为MN0、MN1、MN4，第一PMOS管为MP0；MN4的栅极连接积分信号产生逻辑中的与门AND1的输出端产生的积分信号Integral_Signal，MN4的漏极与恒流源Ibias的负极连接，恒流源Ibias的正极与电源电压VDD连接，C1和C2的正极板相互连接并与MN4的源极、MN0的漏极和运放A1的同相输入端相连接；运放A1的反相输入端与它的输出端产生的标志信号Flag相连接并连接到反馈控制逻辑中的运放A2的同相输入端；C1的负极板相互连接到地，C2的负极板与MN1的漏极和MP0的漏极相连接；MN0的栅极接外部复位信号Rst，并且MN0的源极连接到地，MN1的源极接地，MN1的栅极和MP0的栅极一起与反馈控制逻辑相连，MP0的源极连接电源电压VDD。

[0022] 反馈控制逻辑包括运放A2，两个NMOS管、第二PMOS管、与门AND0，一个或非门NOR和一个反相器INV0；两个NMOS管分别为MN2、MN3，第二PMOS管为MP1；其中，运放A2的同相输入端与积分定时模块中的运放A1输出端产生的标志信号Flag相连接；运放A2的反相输入端连接外部输入参考电压Vbias，运放A2的输出端分别连接MN2的漏极、MN3的栅极和MP1的栅极； MN2的栅极连接外部复位信号Rst，并且MN2的源极连接到地；MP1的源极与电源电压VDD相连接，MP1的漏极与MN3的漏极相连接，并连接到与门AND0的一个输入端，MN3的漏极连接到地；与门AND0的另一个输入端与反相器INV0的输出端相连接，与门AND0的输出端连接到或非门NOR的一个输入端，或非门NOR的另一个输入端连接到外部复位信号Rst，或非门NOR的输出端与反相器INV0的输入端连接，或非门NOR产生的二次积分使能信号Second_Signal与积分定时模块连接。

[0023] 行选读出模块包括第三PMOS管，第三PMOS管包括MP2和MP3；MP2的栅极与C1的正极板、C2的正极板、MN0的漏极、MN4的源极以及运放A1的同相输入端相连接，MP2的漏极连接到地，MP2的源极连接到MP3的漏极，MP3的栅极连接外部行选读出信号Read，并且MP3的的源极连接到输出端Out。

[0024] 积分定时模块中的积分电容C2、MOS管MP0、MN1以及反馈控制逻辑中的与门AND0、或非门NOR、反相器INV0组成二次折叠式积分测量电路，当进行n次折叠式积分测量时，此时n次折叠式积分电路在二次折叠式积分测量电路增加n-2组积分折叠测量单元，积分折叠测量单元包括积分电容Cn、PMOS管MP、NMOS管MN、以及一个缓冲器Buffer、一个或门Or、一个与门AND、一个或非门NOR和一个反相器INV，其中或门Or的输出与反馈控制逻辑中的与门AND相连接，或门Or的一个输入端与PMOS管MP1及NMOS管MN3的漏极相连接，它的另一个输入端与缓冲器Buffer的输出端相连接，缓冲器Buffer的输入端与原有的二次折叠式积分测量电路中的INV0的输出端相连接；此外，或非门NOR的输入端与外部复位信号Rst连接，它的输出端与PMOS管MP和NMOS管MN的栅极相连接，并记为n次积分使能信号n_Enable，积分电容C的正极板与积分电容C1、C2的正极板相连接，它的负极板连接NMOS管MN以及PMOS管MP的漏极，MN的源极接地，MP的源极接电源电源VDD，其中，n≥3。

[0025] 一种高动态范围的时间-幅度转换电路的测量方法，即在二次折叠式积分电路上进行测量，包括如下步骤：（1）启动复位阶段：系统上电，先对系统进行复位清零，外部复位信号Rst变成高电平，NMOS管MN0开启，积分电容C1、C2的正极板上的电压被清零，系统输出端Out被清零，电位被拉到地。同时，NMOS管MN2也被开启，运放A2的输出端也被拉到低电平。此外，或非门NOR的另一个输入端为高电平，它的输出端二次积分使能信号Second_Enable为低电平，因此，NMOS管MN1关断，PMOS管MP0开启，积分电容C2的负极板为高电平，则在第一段积分过程中，积分电容C2不参与积分。二次积分使能信号Second_Enable经过反相器后为高电平，而由于积分尚未开始，积分电压没有超过外部输入参考电压Vbias，运放A2作为比较器比较出的结果为低电平，再经过由NMOS管MN3和PMOS管MP1组成的反相器变为高电平，该信号与二次积分使能信号Second_Enable的反相信号一起经过与门AND0的作用保持为高电平，因此只要积分电压未超过外部输入参考电压Vbias时，二次积分使能信号Second_Enable始终保持为低电平。随后，发射激光的开始信号Start信号变为高电平，系统开始发射激光探测物体，积分使能信号Integral_Enable在RSFF2的作用下被开始信号Start触发变为高电平，电路可以开始积分，此时系统等待返回回来的光子。

[0026] （2）积分定时阶段：当光子信号Photon返回被检测到时，经过RSFF1将积分区间信号Integral_Range拉高，该信号再与积分使能信号Integral_Enable做与门逻辑，得到的积分信号Integral_Signal将NMOS管MN4开启，恒流源Ibias开始对积分电容C1进行第一段充电，此时由于积分电压未能达到外部输入参考电压Vbias，运放A2的输出端为低电平，因此积分电容C2未被开启，不能参与第一阶段的积分。当积分电容C1的积分电压上升到外部输入参考电压Vbias的值时，运放A2作为比较器将输出高电平，再经过由NMO管MN3和PMOS管MP1组成的反相器变成低电平，此时，与门AND0的输出变成低电平，因此无论或非门的另一个输入端处于任何状态，或非门NOR的输出端都为高电平。此时，NMOS管MN1开启，PMOS管MP0关断，积分电容C2的负极板被拉到低电平，积分电容C1和积分电容C2并联，一起进入第二阶段的积分直到外部停止信号Stop变为高电平时。

[0027] （3）停止计时阶段：当外部停止信号Stop变成高电平时，RSFF1的Q端积分使能信号Integral_Enable和RSFF2输出端的积分区间信号Integral_Range一起被拉到低电平，再经过与门AND1后其输出的积分信号Integral_Signal也变为低电平，NMOS晶体管MN4关断，恒流源Ibias停止向积分电容C1、C2输送电流，停止积分，此时积分电容C1、C2上的电压值保持不变。此时，电路实现了折叠式积分，电压摆幅成倍增大。

[0028] （4）信号读出阶段：当外部停止信号Stop结束后，外部行选读出信号Read由初始的高电平变成低电平，此时PMOS管MP3导通，将积分电容C1、C2上的电压值传输到输出端Out。本发明通过利用比较器，运用积分电容C2将第一段积分电压释放，重新开始新一段的积分从而将积分电压的摆幅范围扩大，若二次积分使能信号Second_Enable为高电平，则可以判断第一段积分电压必定为外部输入参考电压Vbias，那么总电压值为Vtotal=Vbias+Vsecond，而第二次积分电压的幅值可以通过调节积分电容C2的值改变。若二次积分使能信号Second_Enable为低电平，则说明积分电压未能达到外部输入参考电压值，那么此时将直接读出该电压值。因此，当返回的光子信号Photon被检测到的时间早，则积分时间长，那么进行两段积分，电压摆幅大；如果返回的光子信号Photon被检测到的时间晚，则积分时间短，那么进行一段积分，电压摆幅小。从而实现了积分电压摆幅扩大，直接提高测量范围和时间分辨率。积分电压值与光子飞行时间呈线性正比关系，因此，可以根据输出的电压值计算出测量时间Tmeasure，而已知外部启动信号Start和外部停止信号Stop的时间间隔Ttotal，根据公式TOF=Ttotal-Tmeasure可以计算出光子飞行时间TOF。

[0029] 在二次折叠积分的基础上实现三次以上的折叠积分，即在二次折叠式积分电路的基础上进行改进，首先，再加入一个积分电容Cn、一个PMOS管MP、一个NMOS管MN、一个缓冲器Buffer、一个或门Or和与门AND、或非门NOR、以及反相器INV的控制逻辑；其次，将新加的与或非门控制逻辑的输出三次积分使能信号n_Enable连接至PMOS管MP和NMOS管MN的栅极进行三次积分使能的控制，其测量方法如下，当第一次积分电压达到外部输入参考电压Vbias时将C1的正极板清零并将第二次反馈的信号给C2开始二次折叠式积分，当进入第二次折叠积分时，如果积分电压未能超过外部参考电压Vbias，则三次积分使能信号n_Enable无效，不触发三次折叠积分，如果积分电压超过外部参考电压Vbias，运放A2的输出经过三次控制逻辑使三次积分使能信号有效，开启积分电容Cn使其与C1、C2并联，即进入三次折叠式积分；如需三次以上折叠积分，则对积分测量单元进行折叠增加，并在三次基础上再次对n次积分使能进行相同逻辑过程，即实现三次以上折叠积分。

[0030] 实施例本发明基于标准0.18 μm的CMOS工艺对上述基于积分电容C1、C2充电计时的线性时间-模拟转换电路进行了仿真，仿真参数具体如下：计时电容C取100fF，光子信号Photon设置为脉宽取1ns的波形；基于以上仿真参数，本发明进行了时长2000ns的仿真，积分时间为
100ns，并得到如图5所示的仿真结果图。图中横坐标为仿真时间，纵坐标为输出端的电压值。启动复位，复位信号Rst变为高电平，系统对全局进行复位操作，计时电容C1被复位至
10mV；随后，开始信号Start启动发射激光，系统等待返回回来的光子信号Photon。当光子信号Photon被检测到式，积分电容C1开始第一段积分充电，电压开始上升；随后，当积分电压达经运放A2与外部输入参考电压Vbias比较相等时，经过反馈控制逻辑将积分电容C2的负极板拉到低电平，积分电容C2先将第一段积分电压清零，再与积分电容C1并联，进行第二段积分。当外部停止信号Stop变为高电平时，停止积分；此时，完成了测量从光子信号Photon到外部停止信号Stop的时间间隔。该模式下输出端电压的波形随着仿真时间也呈现很好的线性变化。经过设计，外部输入参考电压Vbias设置为1V，100fF的电容可以实现100ns范围的积分计时，电压摆幅为1V+1.2V=2.2V，对其进行9bit的量化，电压分辨率仍然可以达到
4.3mV，而时间分辨率达到195ps，DNL达到 0.1LSB，相比于传统式TAC和电流积分式TAC电路，不仅保证了较低的功耗和较小的版图面积，同时还扩大了电压摆幅，提高了时间分辨率，扩大了探测距离。进一步的，如果进行三次折叠，电压摆幅将达到3.2V，则可以对其进行
10bit的量化，时间分辨率进一步提高，可以达到98ps，而电压分辨率也保证在3.1mV，保证了测量精度。

[0031] 为了能够实现高精度的时间-幅度转换，并且能够减少时钟馈通效应，延长保持时间，大幅度地减小版图面积，降低电路功耗，提高像素单元的填充因子，本发明利用模拟定时检测光子飞行时间的方案，采用高动态范围的时间幅度转换电路，利用折叠式电压积分法，选用100fF积分电容C1、C2，对它正极板上的电荷监测，采取记录从光子信号Photon到外部停止信号Stop到来的时间间隔，即当系统检测到光子信号Photon为高电平时，对积分电容C1、C2进行折叠式积分，当外部停止信号Stop结束，积分电容C1、C2停止积分，最后根据复位后对应的电压大小和外部停止信号Stop到达时间所对应的电压大小计算出光子飞行时间，即探测光子的往返时间，当返回的光子信号Photon被检测到的时间早，则积分时间长，那么进行两段积分，如果返回的光子信号Photon被检测到的时间晚，则积分时间短，那么进行一段积分。

[0032] 整个转换过程为四个阶段，启动复位阶段、折叠积分计时阶段、停止积分阶段和信号读出阶段，这四个阶段为一帧信号，在实际的测试过程中连续测量500帧得到一组电压大小数据，进而得到一组时间数据。本发明采用折叠积分的思想，并利用小尺寸MOS管和小尺寸电容，控制电路结构简单，最终达到了高动态范围、高线性度积分，减小时钟馈通，具有较长保持时间的效果，并大幅度提高时间分别率，测量精度，同时保证了电路版图的面积和电路的整体功耗，还能有效地提高了像元的填充因子。

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一种高动态范围的时间-幅度转换电路及其测量方法

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