[发明专利]一种适用于地址编码的SPAD阵列

说明书

本发明公开了一种适用于地址编码的SPAD阵列。该阵列包括由P个SPAD探测单元组成的SPAD探测阵列、电阻分压电路、P个TG门电路和总线输出，电阻分压电路由P个电阻串联组成，电阻分压电路最外侧两端接电源和地，P个电阻经过分压后分别在电阻一端输出P级不同的固定电位作为输出端；P个TG门电路的输入端与电阻分压电路的输出端一一对应连接，P个TG门电路的输出端连接到一条公用总线上作为总线输出；每一个SPAD探测单元的输出端与一个对应TG门电路的控制端连接，用于控制当前TG门电路对总线的输出与否。本发明SPAD阵列的信号输出电路完全数字化，电路结构简单，有利于片上集成，可用于地址编码电路和位置传感器。

技术领域

本发明涉及集成电路领域，特别是涉及一种适用于地址编码的单光子雪崩二极管探测器阵列。

背景技术

近年来，光电探测类传感器得到广泛应用。然而面阵阵列传感器的读出形式比较单一、刻板，大多基于行列选址的读出方式，该方案需要遍历整个阵列中每个像素的地址位，寻址过程耗时过多，帧频也会收到限制。尤其在低光照情况下，阵列中发生响应的像素点数目本身较少，行列选址的读取方式更加冗余。

单光子雪崩二极管SPAD(Single Photon Avalanche Diode)作为一种光电探测器件，具有易激发、高增益的特点。SPAD作用在盖革模式下，基于内光电效应，单个光子产生的光电子在强电场作用下可以快速(10ps左右)产生一次雪崩响应。故SPAD具备单个光子响应能力，能够接收到微弱的光信号。同时SPAD具有亚纳秒级的上升时间，可以大幅度提高光电转换中的信号采集速度和信号分辨能力。

SPAD在接收到光信号的情况下发生雪崩效应，能够输出高电压，在电路中形成有效脉冲电压信号。但是，如何利用SPAD探测器进行地址编码还存在技术难点，如需要降低SPAD的死区时间，防止在同一时间内有多个探测器发生响应的情况等。

发明内容

本发明针对现有探测器技术在面阵读取过程中存在耗时过长，帧频不高的不足，提出了一种适用于地址编码的SPAD阵列，可将光信号高速转换为带有地址信息的信号对外进行总线输出，并通过反推获取响应地址信息。

本发明采用的技术方案为：

一种适用于地址编码的SPAD阵列，包括由P个SPAD探测单元组成的SPAD探测阵列、电阻分压电路、P个TG门电路和总线输出，其中P≥2；所述电阻分压电路由P个电阻串联组成，电阻分压电路最外侧两端接电源和地，P个电阻经过分压后分别在电阻一端输出P级不同的固定电位作为输出端；所述P个TG门电路的输入端与电阻分压电路的输出端一一对应连接，P个TG门电路的输出端连接到一条公用总线上作为总线输出；每一个SPAD探测单元的输出端与一个对应TG门电路的控制端连接，用于控制当前TG门电路对总线的输出与否。进一步地，所述总线输出经电阻下拉到地，输出P级不同的电压值以表征发生响应的SPAD探测单元的地址信息。

进一步地，每一个SPAD探测单元包括单光子雪崩二极管、淬灭电路和整形电路。

进一步地，P个SPAD探测单元在一维方向上排列成一列或一行，组成单列或单行地址编码阵列；多个单列或单行地址编码阵列紧密排布，组成SPAD面阵传感器。

进一步地，P个SPAD探测单元在二维方向上排列成一个M×N的面阵，组成位置传感器，通过总线输出的地址信息推算二维面阵中光响应位置。

本发明采用SPAD作为光电探测器件，利用SPAD的特性实现地址编码的作用，即利用SPAD的易激发特性精确探测到光信号，同时将产生的脉冲电压信号作为开关控制信号，对特定电路结构进行对应开关控制，使不同地址位的SPAD能控制对应的不同幅值的电压输出，从而达到地址编码效果。由于SPAD更容易受到光子激发产生有效脉冲电压信号，本发明在地址编码中具有更高的响应灵敏度，有利于微弱光条件下的探测与地址编码；同时，在地址编码过程中可以将原始信号的时间信息进行输出，可在后续处理中对光电响应信号进行处理。