技术领域
[0001] 本
发明提出了一种应用于单光子3D激光雷达探测器的光子事件并发检测电路，属于单光子探测和3D成像技术领域。
背景技术
[0002] 由于具有探测灵敏度高、响应速度快、面积小、功耗低和CMOS工艺完全兼容等显著优势，单光子
雪崩光电
二极管(Single-Photon Avalanche Diode,SPAD)已在激光测距、
荧光寿命成像、DNA测序和3D成像等方面显示出广泛的应用前景。而这些应用领域都需要单光子探测器具有良好的抑制噪声的能
力。目前单光子探测器抑制噪声的方法主要有
门控法和雪崩脉冲检测两种方法。采用门控淬灭电路虽然能够在一定的时间间隔内抑制环境光子和SPAD器件暗计数，具有可控性高的优点，但是当外界环境光子噪声较大时，其规避噪声的能力较低。雪崩脉冲检测的方法主要基于数字构造的计数器，虽然其规避噪声的能力较高，但是占用面积大，适用范围小，不适用于
像素单元中器件雪崩响应间隔时间较短或同时响应的情况。本发明针对这两种现有电路的缺点，提出了一种光子事件并发检测电路，在提高探测器噪声抑制能力和适用范围的同时能够有效降低电路复杂度和面积，可大大提高像素单元填充因子和阵列集成度。
发明内容
[0003] 发明目的：针对现有光子事件并发检测电路抑制环境光子噪声能力不高、适用范围小和电路面积大等问题，本发明提出一种背景光子抑制能力强、集成度高、适用范围广的单光子3D激光雷达探测器的光子事件并发检测电路及方法。
[0004] 技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
[0005] 一种单光子3D激光雷达探测器的光子事件并发检测电路，其特征在于：包括4个RS触发器、1个判断电路和1个触发/复位电路，其中：
[0006] 单光子
雪崩二极管产生的雪崩脉冲
信号QC1与光子事件并发检测电路的P1输入端相连，而P1输入端分别与RS触发器RSFF1的置1输入端S和触发/复位电路的或门OR1的输入端1连接，
单光子雪崩二极管产生的雪崩脉冲信号QC2与光子事件并发检测电路的P2输入端相连，而P2输入端分别与RS触发器RSFF2的置1输入端S和触发/复位电路的或门OR1的输入端2连接，单光子雪崩二极管产生的雪崩脉冲信号QC3与光子事件并发检测电路的P3输入端相连，而P3输入端分别与RS触发器RSFF3的置1输入端S和触发/复位电路的或门OR2的输入端1连接，单光子雪崩二极管产生的雪崩脉冲信号QC4与光子事件并发检测电路的P4输入端相连，而P4输入端分别与RS触发器RSFF4的置1输入端S和触发/复位电路的或门OR2的输入端2连接。光子事件并发检测电路的输出端Y和输出端T连接时间数字转换电路。
[0007] RS触发器RSFF1的输出端Q连接判断电路的MOS管N6的栅极。RS触发器RSFF2的输出端Q连接判断电路的MOS管N7的栅极。RS触发器RSFF3的输出端Q连接判断电路的MOS管N8的栅极。RS触发器RSFF4的输出端Q连接判断电路的MOS管N9的栅极。
[0008] 触发/复位电路的输出端T输出触发信号START，连接后续时间-数字转换电路，当触发信号START为高电平时，则启动时间-数字转换电路开始工作。触发/复位电路的RS触发器RSFF5的输出端Q连接判断电路的MOS管P的栅极。触发/复位电路的或门OR4的输出端输出局部复位信号，连接RS触发器RSFF1、RS触发器RSFF2、RS触发器RSFF3、RS触发器RSFF4以及RS触发器RSFF5和RS触发器RSFF6的置0输入端R。触发/复位电路的输入端RES连接全局复位信号RESET。判断电路的输入端Vref连接参考
电压信号Vref。输出端Y输出判定信号YES，连接时间-数字转换电路，当判定信号YES为高电平时，则判定该次响应为激光光子的触发，后续时间-数字转换电路的工作有效。当判定信号YES为低电平时，则判定该次响应为环境光子噪声的触发，时间-数字转换电路的工作无效。
[0009] 判断电路包括电压比较器CMP、参考恒流源Iref、PMOS管P、NMOS管N1、NMOS管N2、NMOS管N3、NMOS管N4、NMOS管N5、NMOS管N6(CMOS传输门)、NMOS管N7(CMOS传输门)、NMOS管N8(CMOS传输门)、NMOS管N9(CMOS传输门)、
采样电阻R，其中：NMOS管N1,N2，N3，N4，N5的漏极接
电源电压VDD。NMOS管N1的栅极与源极相连，同时与NMOS管N2，N3，N4，N5的栅极相连，NMOS管N1的源极与参考恒流源Iref的流入端相连，流出端与地相连。同时NMOS管N2，N3，N4，N5的源极分别与NMOS管N6,N7，N8，N9的漏极相连，NMOS管N6,N7，N8，N9的源极同时与采样电阻R的一端以及比较器CMP的输入端V+相连，采样电阻R的另一端与地相连，PMOS管P的漏极以及源极分别与采样电阻R的两端相连(漏极接地)，PMOS管P的栅极与触发/复位电路的RS触发器RSFF5的输出端Q连接，电压比较器CMP的输出端引出输出端Y连接时间数字转换电路。
[0010] 判断电路在输入端的有效高电平到来之前，判断电路的NMOS管N6(CMOS传输门)、NMOS管N7(CMOS传输门)、NMOS管N8(CMOS传输门)、NMOS管N9(CMOS传输门)全部断开，采样电阻R上流过的
电流为0，触发/复位电路的
反相器INV的输出为高电平，PMOS管P断开，准备进行并发检测操作。当判断电路输入端为有效高电平时，相应的NMOS管N6(CMOS传输门)、NMOS管N7(CMOS传输门)、NMOS管N8(CMOS传输门)、NMOS管N9(CMOS传输门)开启，由镜像电流源产生的电流经
过采样电阻R流入地。此时在采样电阻R的两端会产生相应的采样电压VA，当电压
阈值VA达到所设定的参考电压信号Vref时，比较器输出端Y输出的判定信号YES为高电平。当电压阈值VA未达到所设定的参考电压信号Vref时，比较器输出端Y输出的判定信号YES为低电平。一次检测结束后，判断电路的PMOS管P的栅极变为低电平，采样电阻R被
短路，采样电压VA变成0，输出端Y也变成低电平，NMOS管N6(CMOS传输门)、NMOS管N7(CMOS传输门)、NMOS管N8(CMOS传输门)、NMOS管N9(CMOS传输门)的栅极再次变为低电平，使电阻R被短路，阻止电流流入采样电阻R，实现复位。
[0011] 触发/复位电路包括延时电容Cint、二输入或门OR1、二输入或门OR2、二输入或门OR3、RS触发器RSFF5、RS触发器RSFF6、反相器INV1、反相器INV2和二输入或门OR4，其中，二输入或门OR1和二输入或门OR2的输出端分别与二输入或门的输入端1和2连接，二输入或门OR3的输出端接RS触发器RSFF5和长
沟道RS触发器RSFF6的置1输入端S。RS触发器五SFF5的输出端Q连接判断电路中PMOS管P的栅极。RS触发器RSFF6的输出端Q连接延时电容Cint和反相器INV1的输入端，延时电容Cint的另一端接地，反相器INV1的输出端接反相器INV2的输入端，反相器INV2的输出端接二输入或门OR4的一个输入端，另一个输入端接全局复位信号Res，二输入或门OR4的输出端同时连接RS触发器RSFF1、RS触发器RSFF2、RS触发器RSFF3、RS触发器RSFF4以及RS触发器RSFF5和RS触发器RSFF6的置0输入端R。
[0012] 触发/复位电路在触发/复位电路的输入端OR1的1,2，OR2的1,2为低电平时，全局复位信号RESET为高电平，二输入或门OR4的输出为高电平，RS触发器RSFF5输出端Q为低电平，RS触发器RSFF6的输出端Q为低电平。当触发/复位电路的输入端OR1的1,2，OR2的1,2短存在有效高电平时，二输入或门OR3的输出为高电平，此时输出端T输出的触发信号START为高电平。RS触发器RSFF5输出端Q为高电平，同时RS触发器RSFF6的输出端Q为高电平，对延时电容Cint进行充电。此时由于电容Cint的延时作用和反相器INV1，反相器INV2的整形作用会形成延时复位信号，然后结果通过二输入或门OR4和全局复位信号RESET相或形成局部复位信号，并把局部复位信号送回RS触发器RSFF1、RS触发器RSFF2、RS触发器RSFF3、RS触发器RSFF4以及RS触发器RSFF5和RS触发器RSFF6的置0输入端R，实现一次工作后的复位清零。同时该局部复位信号使RS触发器RSFF5输出端Q变为低电平使判断电路复位。
[0013] 如图3所示：一种单光子3D激光雷达探测器的光子事件并发检测过程，包括以下阶段：
[0014] (1)准备阶段：在激光光子或环境光子噪声到来之前，全局复位信号RESET为高电平，RS触发器RSFF1、RS触发器RSFF2、RS触发器RSFF3、RS触发器RSFF4的输出端Q为低电平。判断电路和触发/复位电路都不工作，判定信号YES和触发信号START均为低电平。设定好参考电压信号Vref的电压值，当全局复位信号RESET由高电平变为低电平，准备检测操作。
[0015] (2)启动/检测阶段：当光子或噪声到来时，即检测到雪崩脉冲信号QC1、雪崩脉冲信号QC2、雪崩脉冲信号QC3、雪崩脉冲信号QC4中存在高电平时，相应的RS触发器RSFF1、RS触发器RSFF2、RS触发器RSFF3、RS触发器RSFF4的输出端Q变为高电平，输出端QN变为低电平。触发/复位电路的输出端T所输出的触发信号START变为高电平，启动时间-数字转换电路进行工作。判断电路将雪崩脉冲信号个数同时通过镜像电流源网络，流经参考电阻R的电流值转化为一定的电压阈值VA，再通过电压比较器CMP对比所设定的参考电压信号Vref。若该电压阈值VA达到所设定的参考电压信号Vref时，则输出端Y所输出的判定信号YES为高电平，判定该次响应为激光光子的触发，时间-数字转换电路的工作有效。未达到所设定的参考电压信号Vref时，则输出端Y所输出的判定信号YES为低电平，判定该次响应为环境光子噪声的触发，时间-数字转换电路的工作无效，以此实现同步检测、抑制噪声的功能。
[0016] (3)复位阶段：当一次触发、检测工作完成时，触发/复位电路通过RS触发器RSFF6在延时电容Cint的延时作用下产生局部复位信号，对RS触发器RSFF1、RS触发器RSFF2、RS触发器RSFF3、RS触发器RSFF4以及RS触发器RSFF5和RS触发器RSFF6进行复位。同时通过RS触发器RSFF5产生反相局部复位信号，对判断电路进行复位。
[0017] 本发明相比
现有技术，具有以下有益效果：
[0018] 1.本发明提出的光子事件并发检测电路可以对单光子3D激光雷达探测器进行准确、高效的噪声抑制。采用并发检测的方法可以适用于像素单元中各器件雪崩响应时间间隔较小或同时响应的情况；通过设定参考电压信号可以根据噪声的强弱改变噪声抑制性能的等级。
[0019] 2.本发明提出的光子同步检测电路结构新颖，不需要使用大面积的触发器部件，整个电路占用的芯片版图面积小，有效地提高了SPAD像素单元的填充因子，提高了SPAD阵列探测器的集成度。
[0020] 3.本发明提出的光子同步检测电路复杂度低，制造工艺完全和CMOS工艺兼容，制造成本低，各个电路之间的性能一致性好，成品率高。
附图说明
[0021] 图1为本发明提出的光子事件并发检测电路总体电路结构图；
[0022] 图2为本发明提出的光子事件并发检测电路内部结构图；
[0023] 图3为本发明提出的光子事件并发检测电路工作时序图。
具体实施方式
[0024] 下面结合附图和具体
实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的
修改均落于本
申请所附
权利要求所限定的范围。
[0025] 一种单光子3D激光雷达探测器的光子事件并发检测电路，如图1所示：包括RS触发器RSFF1、RS触发器RSFF2、RS触发器RSFF3、RS触发器RSFF4、判断电路以及触发/复位电路。其中，判断电路是为了判断检测到得到信号是否为背景光产生的信号，触发/复位电路的作用是在进行一次判断后产生复位信号对四个RS触发器和判断电路进行复位，等待下一次检测。
[0026] 单光子雪崩二极管产生的雪崩脉冲信号QC1分别与RS触发器RSFF1的置1输入端S和触发/复位电路的或门OR1的输入端1连接，单光子雪崩二极管产生的雪崩脉冲信号QC2分别与RS触发器RSFF2的置1输入端S和触发/复位电路的或门OR1的输入端2连接，单光子雪崩二极管产生的雪崩脉冲信号QC3分别与RS触发器RSFF3的置1输入端S和触发/复位电路的或门OR2的输入端1连接，单光子雪崩二极管产生的雪崩脉冲信号QC4分别与RS触发器RSFF4的置1输入端S和触发/复位电路的或门OR2的输入端2连接。
[0027] RS触发器RSFF1的输出端Q连接判断电路的MOS管N6的栅极。RS触发器RSFF2的输出端Q连接判断电路的MOS管N7的栅极。RS触发器RSFF3的输出端Q连接判断电路的MOS管N8的栅极。RS触发器RSFF4的输出端Q连接判断电路的MOS管N9的栅极。
[0028] 如图2所示判断电路包括电压比较器CMP、参考恒流源Iref、PMOS管P、NMOS管N1、NMOS管N2、NMOS管N3、NMOS管N4、NMOS管N5、NMOS管N6(CMOS传输门)、NMOS管N7(CMOS传输门)、NMOS管N8(CMOS传输门)、NMOS管N9(CMOS传输门)、采样电阻R，其中：NMOS管N1,N2，N3，N4，N5的漏极接电源电压VDD。NMOS管N1的栅极与源极相连，同时与NMOS管N2，N3，N4，N5的栅极相连，NMOS管N1的源极与参考恒流源Iref的流入端相连，流出端与地相连。同时NMOS管N2，N3，N4，N5的源极分别与NMOS管N6,N7，N8，N9的漏极相连，NMOS管N6,N7，N8，N9的源极同时与采样电阻R的一端以及比较器CMP的输入端V+相连，采样电阻R的另一端与地相连，PMOS管P的漏极以及源极分别与采样电阻R的两端相连(漏极接地)，PMOS管P的栅极与触发/复位电路的反相器INV的输出端连接，电压比较器CMP的输出端引出输出端Y连接时间数字转换电路。
[0029] 触发/复位电路包括延时电容Cint、二输入或门OR1、二输入或门OR2、二输入或门OR3、RS触发器RSFF5、RS触发器RSFF6、反相器INV1、反相器INV2和二输入或门OR4，其中，二输入或门OR1和二输入或门OR2的输出端分别与二输入或门OR3的输入端1和2连接，二输入或门OR3的输出端接RS触发器RSFF5和长沟道RS触发器RSFF6的置1输入端S。RS触发器RSFF5的输出端Q连接判断电路中PMOS管P的栅极。RS触发器RSFF6的输出端Q连接延时电容Cint和反相器INV1的输入端，延时电容Cint的另一端接地，反相器INV1的输出端接反相器INV2的输入端，反相器INV2的输出端接二输入或门OR4的一个输入端，另一个输入端接全局复位信号Res，二输入或门OR4的输出端同时连接RS触发器RSFF1、RS触发器RSFF2、RS触发器RSFF3、RS触发器RSFF4以及RS触发器RSFF5和RS触发器RSFF6的置0输入端R。
[0030] 如图2所示，判断电路在输入端的有效高电平到来之前，判断电路的NMOS管N6(CMOS传输门)、NMOS管N7(CMOS传输门)、NMOS管N8(CMOS传输门)、NMOS管N9(CMOS传输门)全部断开，采样电阻R上流过的电流为0，触发/复位电路的反相器INV的输出为高电平，PMOS管P断开，准备进行同步检测操作。当判断电路输入端存在有效高电平时，相应的NMOS管N6(CMOS传输门)、NMOS管N7(CMOS传输门)、NMOS管N8(CMOS传输门)、NMOS管N9(CMOS传输门)开启，由镜像电流源产生的电流经过采样电阻R流入地。此时在采样电阻R的两端会产生相应的采样电压VA，当电压阈值VA达到所设定的参考电压信号Vref时，比较器输出端Y输出的判定信号YES为高电平。当电压阈值VA未达到所设定的参考电压信号Vref时，比较器输出端Y输出的判定信号YES为低电平。一次检测结束后，判断电路的PMOS管P的栅极变为低电平，采样电阻R被短路，采样电压VA变成0，输出端Y也变成低电平，NMOS管N6(CMOS传输门)、NMOS管N7(CMOS传输门)、NMOS管N8(CMOS传输门)、NMOS管N9(CMOS传输门)的栅极再次变为低电平使电阻R被短路，阻止电流流入采样电阻R，实现复位。
[0031] 触发/复位电路在触发/复位电路的输入端OR1的1,2，OR2的1,2为低电平时，全局复位信号RESET为高电平，二输入或门OR4的输出为高电平，RS触发器RSFF5输出端Q为低电平，长沟道RS触发器RSFF6的输出端Q为低电平。当触发/复位电路的输入端OR1的1,2，OR2的1,2端为有效高电平时，二输入或门OR3的输出为高电平，此时输出端T输出的触发信号START为高电平。RS触发器RSFF5输出端Q为高电平，同时长沟道RS触发器RSFF6的输出端Q为高电平，对延时电容Cint进行充电。此时由于电容Cint的延时作用和反相器INV1，反相器INV2的整形作用会形成延时复位信号，然后结果通过二输入或门OR4和全局复位信号RESET相或形成局部复位信号，并把局部复位信号送回RS触发器RSFF1、RS触发器RSFF2、RS触发器RSFF3、RS触发器RSFF4以及RS触发器RSFF5和RS触发器RSFF6的置0输入端R，实现一次工作后的复位清零。同时该局部复位信号使RS触发器RSFF5输出端Q变为低电平使判断电路复位。
[0032] 一种单光子3D激光雷达探测器的光子同步检测方法，如图3所示，整个电路的工作流程包括三个阶段，即准备阶段，启动/检测阶段，复位阶段：
[0033] (1)准备阶段：在激光光子或环境光子噪声到来之前，全局复位信号RESET为高电平，RS触发器RSFF1、RS触发器RSFF2、RS触发器RSFF3、RS触发器RSFF4的输出端Q为低电平。判断电路和触发/复位电路都不工作，判定信号YES和触发信号START均为低电平。设定好参考电压信号Vref的电压值，当全局复位信号RESET由高电平变为低电平，准备检测操作。
[0034] (2)启动/检测阶段：当光子或噪声到来时，即检测到雪崩脉冲信号QC1、雪崩脉冲信号QC2、雪崩脉冲信号QC3、雪崩脉冲信号QC4中存在高电平时，相应的RS触发器RSFF1、RS触发器RSFF2、RS触发器RSFF3、RS触发器RSFF4的输出端Q变为高电平。触发/复位电路的输出端T所输出的触发信号START变为高电平，启动时间-数字转换电路进行工作。判断电路将雪崩脉冲信号个数同时通过镜像电流源网络流经参考电阻R的电流值转化为一定的电压阈值VA，再通过电压比较器CMP对比所设定的参考电压信号Vref。若该电压阈值VA达到所设定的参考电压信号Vref时，则输出端Y所输出的判定信号YES为高电平，判定该次响应为激光光子的触发，时间-数字转换电路的工作有效。未达到所设定的参考电压信号Vref时，则输出端Y所输出的判定信号YES为低电平，判定该次响应为环境光子噪声的触发，时间-数字转换电路的工作无效，以此实现同步检测、抑制噪声的功能。
[0035] (3)复位阶段：当一次触发、检测工作完成时，触发/复位电路通过RS触发器RSFF6在延时电容Cint的延时作用下产生局部复位信号，对RS触发器RSFF1、RS触发器RSFF2、RS触发器RSFF3、RS触发器RSFF4以及RS触发器RSFF5和RS触发器RSFF6进行复位。同时通过RS触发器RSFF5产生反相局部复位信号，对判断电路进行复位。
[0036] 具体实施例
[0037] 本发明基于标准0.18μm的CMOS工艺对上述的光子同步检测电路进行了仿真，仿真参数具体如下：参考电压信号Vref取1.1V，即检测到3个及以上的雪崩脉冲信号时，判断电路所输出的判定信号YES为高电平，判定该次响应为激光光子的触发，时间-数字转换电路工作有效。雪崩脉冲
输入信号设置为脉宽取8ns的连续一段的方波；电源电压VDD设置为1.8V。基于以上仿真参数，本发明进行了时长200ns的仿真，总共检测了3次，结果如下：
[0038] 检测之前，全局复位信号RESET设置时间为10ns的高电平对整个电路进行复位，复位结束后，触发/复位电路输出的触发信号START为低电平；判断电路输出的判定信号YES为低电平；局部复位信号为低电平。
[0039] 第一次检测时，总共响应了4个雪崩脉冲信号，四个雪崩脉冲信号均为高电平。触发信号START由低电平变为高电平，启动时间-数字转换电路进行工作；判断电路同步检测后，电压阈值VA由0上升到1.6V，达到参考电压信号Vref的标准，判定信号YES由低电平变为高电平，判定该次响应为激光光子的触发，时间-数字转换电路的工作有效；之后局部复位信号由低电平变为高电平，实现第一次检测完成后的复位。第二次检测时，响应了1个雪崩脉冲信号，此时雪崩脉冲信号QC1、雪崩脉冲信号QC3、雪崩脉冲信号QC4为低电平，雪崩脉冲信号QC2为高电平；触发信号START由低电平变为高电平，启动时间-数字转换电路进行工作。判断电路同步检测后，电压阈值VA由0上升到到0.4V，未达到参考电压信号Vref的标准，判定信号YES仍为低电平，判定该次响应为环境光子噪声的触发，时间-数字转换电路的工作无效；之后局部复位信号由低电平变为高电平，实现第二次检测完成后的复位。第三次检测时，总共响应了2个雪崩脉冲信号，此时雪崩脉冲信号QC1、雪崩脉冲信号QC2为低电平，雪崩脉冲信号QC3、雪崩脉冲信号QC4为高电平；触发信号START由低电平变为高电平，启动时间-数字转换电路进行工作；判断电路同步检测后，电压阈值VA由0上升到0.8V，未达到参考电压信号Vref的标准，判定信号YES仍为低电平,判定该次响应为环境光子噪声的触发，时间-数字转换电路的工作无效；局部复位信号由低电平变为高电平，实现第三次检测完成后的复位。
[0040] 应当进一步指出，本发明所提出的光子同步检测电路设计方案不仅局限于由4个雪崩二极管构成一个像素单元的探测器，还能适用于更大规模像素单元的探测器。当一个像素单元中的雪崩二极管数量扩展为8个、16个甚至更多时，可以增加判断电路的电容网络中电容的数量和大小来实现光子事件并发检测的功能。
[0041] 本发明提出的光子同步检测电路结构新颖，占用的芯片版图面积小，有效地提高了SPAD像素单元的填充因子，提高了SPAD阵列探测器的集成度；电路复杂度低，制造工艺完全和CMOS工艺兼容，制造成本低，各个电路之间的性能一致性好，成品率高。
[0042] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
