[发明专利]一种采用二次相关双采样技术的SPAD阵列级读出电路

说明书

本发明公开了一种采用二次相关双采样技术的SPAD阵列级读出电路，包括CDS读出电路和采样保持电路。第一级CDS读出电路由1个电压跟随器，2个开关电路与1个采样电容组成，接在每条列总线上用于保证像素单元的信息的快速读出，并将像素单元中的固定模式噪声消除。第二级CDS读出电路由2个电压跟随器，2个开关电路与2个采样电容组成，用于消除读出电路中的固定模式噪声。二次相关双采样阵列级读出电路只需两个控制信号，时序信号简单。本发明具有时序控制简单且读出速度较快的优点，两级CDS只需两个控制信号，且读出速度较快，提高了读出电路的工作效率。因此在大规模的像素阵列电路中优势较为明显。

技术领域

本发明属于光电技术领域，涉及一种应用于高密度单光子雪崩二极管阵列探测器的相关双采样降噪读出电路。

背景技术

单光子雪崩二极管(SPAD)由于具有高灵敏度和亚秒级的时间分辨率，在荧光寿命成像、拉曼光谱、3D成像等技术领域有着广泛的应用。目前单光子雪崩二极管正朝着低成本、高密度、高可靠性的深亚微米CMOS工艺的阵列图像传感器的方向发展。一个SPAD阵列探测器包括众多的SPAD像素单元和外围读出和控制电路，其中每个SPAD像素单元由SPAD器件、淬灭复位电路和计数读出电路组成。采用模拟计数的方法测得的像素读出电压数值能够反应探测到的光子数，且可以有效减小计数电路所占用的像素单元的面积。但是温度和工艺的偏差会导致晶体管之间参数的失配，引起MOS管阈值电压变化，产生输出固定模式噪声(FPN，Fixed Pattern Noise)，导致图像上出现条纹和斑点，严重影响图像的质量。通过相关双采样(CDS，Correlated Double Sampling) 技术将两次采样数据相减，能够消除像素单元与读出电路中的固定模式噪声。传统的相关双采样利用全差分放大器作为采样运放，需要较大的积分电容，且功耗较大；而利用跨导放大器设计出的CDS读出电路却又需要较为复杂的时序信号。以电流镜结构为基础的CDS读出电路虽能保证较小的占用面积与较为简单的时序电路，但是有效的输入区间较小，在输入变化范围较大的情况下不能有效工作。

如何有效地简化CDS读出电路的时序控制信号，增大CDS读出电路的工作区间，以实现更精准的读出就是一个亟待解决的问题。

发明内容

本发明针对上述CDS读出电路面临的问题，提出了一种基于电压跟随器的二次相关双采样阵列级读出电路，该电路具有电路结构简单、占用面积小、工作范围大的优点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种采用二次相关双采样技术的SPAD阵列级读出电路，包括CDS读出电路和采样保持电路。所述CDS读出电路包含两级，第一级CDS读出电路和每条列总线连接，在行选择信号Sel控制下每行像素单元模拟计数器中的计数结果通过列总线读入到第一级CDS读出电路中，然后在时序控制信号CLK1的控制下对像素单元曝光后与复位后的输出结果进行两次采样，消除像素单元中的固定模式噪声，每列上的第一级CDS读出电路在列选择信号Col的控制下依时序将两次采样相减的结果送入到第二级CDS读出电路；第二级CDS读出电路作为二次相关双采样阵列级读出电路的输出级，它在时序控制信号CLK2的控制下对第一级CDS读出电路的读出与复位两个阶段的结果进行采样，消除第一级CDS读出电路中的固定模式噪声，第二级CDS读出电路的输出接采样保持电路，采样保持电路对二次相关双采样阵列级读出电路的输出结果进行采样并送入模数转换器的输入，通过模数转换器将像素单元中的光子计数信息转换为数字信号读出。

进一步，上述第一级CDS读出电路由电压跟随器A，采样电容C1，一个受时序控制信号CLK1控制的开关S1以及一个受列选择信号Col控制的开关S2组成，第一级CDS 读出电路的输入端与列总线相连，输出端连接到第二级CDS读出电路的输入端，其中采样电容C1一端与列总线相连接，另一端接电压跟随器A的输入端，电压跟随器A的输入端在时序控制信号CLK1的控制下通过开关S1与第一级CDS读出电路复位电压Vb1 相连，电压跟随器A的输出连接列选开关S2，列选开关S2由列选择信号Col控制着第一级CDS读出电路的输出与第二级CDS读出电路的输入的连接。