基于高动态时间数字转换器的单光子探测器

孙睿智, 姜 涛, 纪永成, 常玉春, 马 成, 王欣洋

(1. 吉林大学 电子科学与工程学院, 长春 130012; 2. 长春长光辰芯光电技术有限公司 芯片部, 长春 130012)

0 引 言

单光子是极其微弱的光学信号, 在普通的光电探测器件中产生的信号信噪比远小于1, 难以提取其有效信号, 因此需选用合适的单光子探测器件通过特殊方法对单光子进行探测。单光子探测技术是一项很有意义的微弱光信号探测技术, 应用主要集中在天文观测、 国土安全与监视、 大气测污、 远距离激光测距和远距离激光三维成像等领域[1]。

笔者着力应用于单光子探测器阵列的高性能读出电路的设计, 该设计的主要目标是实现光子的飞行时间与二进制数之间的转换, 并应用于16×16阵列规模的读出电路芯片。

1 读出电路结构与原理

完整的单光子探测成像系统通常包括单光子探测器阵列、 读出电路单元阵列、 列读出电路、 行列选电路和输出驱动电路等。笔者着重研究读出电路单元部分, 常见的淬灭电路单元结构有主动淬灭、 被动淬灭和门控脉冲淬灭等结构[2]。每种结构各有优缺点, 笔者所设计的读出电路采用被动淬灭结构。设计了像素级的高动态时间数字转换器, 采用粗细计数的方式实现330 ps的时间精度, 其中整体芯片的延时单元置于像素外以节省像素面积及功耗。

图1 笔者提出的读出电路单元Fig.1 Proposed readout circuit unit cell

ROIC(Readout Integrated Circuit)单元电路结构如图1所示, 主要包括4个部分： 前端电路(淬灭复位电路)、 信号处理电路、 计数电路和存储单元。前端电路采用被动淬灭电路, 主要由两个金属大电阻串联构成[3-5]； 信号处理电路则采用比较器电路产生光子到达的定时信号； 计数电路以时间数字转换器为核心电路, 主要由13 bit异步计数器及D触发器构成； 存储单元则将时间数字转换器产生的29 bit数据进行存储并通过行选信号的控制将数据读出到芯片外部。

图2 前端电路及信号处理电路Fig.2 Front-end circuit and signal processing circuit

a A点电压变化 b B点电压变化图3 A,B点电压变化Fig.3 Voltage change of node A and B

2 高动态范围时间数字转换电路

激光雷达测距系统的原理是通过对光子的飞行时间进行测量实现远距离测距的目的。而光子飞行时间的测量是通过像素内的时间数字转换器进行实现。激光器发出周期性的激光脉冲, 系统会输入进芯片内部一个同步的周期性触发信号, 即为开始(START)信号, 当光脉冲遇到被测物体被反射后, 探测器探测到反射的光子会产生电流信号, 该电流信号经放大, 读出后产生可触发后续时间数字转换器计数电路停止工作的数字脉冲信号, 即停止(STOP)信号。光子飞行时间即为开始和停止信号之间的时间间隔, 如图4所示。

时间数字转换电路采用粗细计数相结合的方式提高其动态范围的同时, 提供稳定性较高的时间分辨率[6-8], 使其可在受到电压波动及环境温度的影响时, 保证其最小时间分辨率的准确性, 并通过提高时间数字转换器的动态范围可实现远距离激光测距。笔者设计的时间数字转换器最远探测距离可达千米以上。其中数字转换器动态范围的提高通过引入13 bit异步计数器实现, 通过计数器对开始和停止信号之间的参考时钟的上升沿的个数进行计数, 即时序图4中的Δt12由粗计数进行测量。而非常小的部分(Δt1与Δt2)则通过具有高时间分辨率的细计数进行测量。而细计数的实现是通过引入片内相位锁相环[9,10]提供8个多相位高性能的高频时钟信号, 确保这8个多相位时钟之间的相位差的一致性。相位锁相环中的压控振荡器采用如图5所示架构的差分环形振荡器, 该架构的环形振荡器可提供4个相位及其相反相的时钟信号供细计数使用, 如图6所示。

图5 四级差动环形振荡器Fig.5 Four stage differential ring oscillator

图6 细计数时钟Fig.6 Timing diagram for fine TDC

通过时钟树将这8个时钟输入到每个像素点内, 将开始和停止信号作为像素内D触发器的采样时钟, 通过触发器D对开始/停止信号与其之后的参考时钟的第1个上升沿之间的8个时钟状态进行采样, 得到8 bit的二进制数, 表示开始/停止信号与其之后参考时钟之间的延时单元的个数(Δt1与Δt2)。粗计数与细计数测量的时间做运算最终可以得到光子飞行时间(Δt=Δt1+Δt12-Δt2)。

3 版图设计及后仿结果

像素单元电路的版图设计及整体芯片版图设计如图7所示。

a 像素单元电路版图设计 b 整体芯片版图设计图7 像素单元电路版图和整体芯片版图设计Fig.7 Pixel layout and chip layout

像素单元电路的仿真结果如图8所示, 根据仿真结果可知, 计数器输出13 bit数据转化为十进制数为493, 开始信号采样得到的8 bit数据转换成十进制数为30, 停止信号采样后得到的8 bit数据转换成十进制数为14, 经计算得时间间隔的测量值为986 ns, 实际输入信号时间间隔为986.03 ns, 二者之间误差为30 ps, 小于最小时间分辨率的精度, 高动态范围时间数字转换器性能满足设计指标。

图8 像素单元仿真结果Fig.8 Post simulation of pixel circuit

延时单元的后仿结果如图9所示, 由后仿结果可见, 细计数延时单元的时间分辨率为282.91 ps, 满足小于330 ps时间分辨率的设计指标。

图9 延时单元时钟后仿结果Fig.9 Post simulation of delay line

4 结 语

笔者针对阵列型单光子探测读出电路的设计满足设计要求, 可实现对光子飞行时间进行准确测量, 其误差小于最小时间分辨率, 并通过粗细计数相结合的方法, 有效提高了时间数字转换器的动态范围及其稳定的最小时间分辨率, 可实现千米以上的激光测距。