本發(fā)明涉及一種淬滅電路，屬于電路技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

激光雷達(dá)是一種可以精確快速地獲取地面或大氣三維空間信息的主動(dòng)探測(cè)技術(shù)，可以用來(lái)進(jìn)行測(cè)距測(cè)角等，因此其在軍事和民用領(lǐng)域到了廣泛的應(yīng)用。

成像激光雷達(dá)分為多種工作模式。如采用單元探測(cè)器的掃描成像與采用陣列探測(cè)器的非掃描成像。采用單元探測(cè)器的掃描成像作用距離可以很遠(yuǎn)，但成像速率會(huì)受到一定的限制；采用傳統(tǒng)大面陣探測(cè)器的非掃描成像激光雷達(dá)是基于線性apd(avalanchephotodiode)原理，它能夠以很高的速率成像，但是需要大功率激光器照射目標(biāo)，所以作用距離不會(huì)太遠(yuǎn)。

apd兩端的反向偏置電壓低于其雪崩擊穿電壓時(shí)，apd的輸出電流與入射光強(qiáng)成正比，即apd工作在線性模式；當(dāng)偏置電壓大于雪崩擊穿電壓時(shí)(過(guò)反偏狀態(tài))，一個(gè)光生載流子即能觸發(fā)極大增益的自持式雪崩電流，即apd工作在蓋革模式。這種由單個(gè)光生載流子快速觸發(fā)產(chǎn)生的可探測(cè)雪崩電流，使得apd可實(shí)現(xiàn)單光子的有效探測(cè)。因此，基于大面陣蓋革(gm)apd的激光雷達(dá)不僅成像速度快，可以時(shí)時(shí)捕捉動(dòng)態(tài)目標(biāo)，而且可以作用非常遠(yuǎn)的距離，實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離成像。工作在蓋革模式下的高靈敏度apd稱為單光子雪崩二極管(singlephotoavalanchediode,spad)。

大面陣的apd探測(cè)器需要配套大面陣激光雷達(dá)讀出電路，而目前國(guó)內(nèi)激光雷達(dá)讀出電路還是以分立器件為主，因此規(guī)模很小，分辨率及成像速率較低。當(dāng)面陣apd規(guī)模達(dá)到64x64像素單元甚至更高時(shí)，激光雷達(dá)讀出電路只能采用單片集成的方法實(shí)現(xiàn)?；跇?biāo)準(zhǔn)的cmos工藝實(shí)現(xiàn)大面陣激光雷達(dá)讀出電路芯片，可以縮小控制系統(tǒng)的體積、減輕重量、降低功耗、提高抗干擾能力、增加可靠性，在實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)高幀頻率捕獲的同時(shí)獲得高精度的時(shí)間分辨率。

當(dāng)spad處于過(guò)反偏時(shí),由于光子的觸發(fā)，spad會(huì)產(chǎn)生自持續(xù)電流。如果不采取任何抑制措施，雪崩過(guò)程將會(huì)持續(xù)下去直至器件永久性損壞。所以通常在雪崩倍增效應(yīng)發(fā)生后需要快速降低spad兩端的電壓來(lái)抑制雪崩。

spad淬滅電路的作用就是快速檢測(cè)到雪崩電流并提取出一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字信號(hào),同時(shí)減小spad的反偏電壓至雪崩電壓以下，進(jìn)而淬滅雪崩電流。淬滅電路的性能直接影響探測(cè)系統(tǒng)的整體。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

受現(xiàn)有spad材料性能和國(guó)內(nèi)加工手段的限制，單光子觸發(fā)近ma級(jí)的電流很難實(shí)現(xiàn)；同時(shí)考慮面陣spad的非一致性，有的光子觸發(fā)電流不足0.1ma，因而傳統(tǒng)門控淬滅電路難以或在有限的時(shí)間內(nèi)響應(yīng)。本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種寬電流輸入范圍的門控淬滅電路。本發(fā)明為了解決現(xiàn)有的技術(shù)問(wèn)題，提供一種基于雙閾值比較器的門控淬滅電路，以適應(yīng)大動(dòng)態(tài)范圍的觸發(fā)電流信號(hào)。其中，門控方式同傳統(tǒng)的電阻被動(dòng)淬滅、主動(dòng)和混合淬滅控制方式相比，它可以使spad只在短暫的時(shí)間內(nèi)工作于過(guò)反偏模式下,因而提高了spad的使用壽命和可靠性，且有效降低器件暗計(jì)數(shù)率。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種寬電流輸入范圍的門控淬滅電路，其特征是，包括充電管mos管m2、淬滅管mos管m1、由mos管m3、m4、m5、m6、m7及電流源i0和10i0構(gòu)成的電壓比較器和由mos管m8、m9、m10、m11、m12和m13構(gòu)成的控制整形電路；

mos管m2與mos管m1的漏極共連至a點(diǎn)及電壓比較器中mos管m3的柵極，經(jīng)a點(diǎn)通過(guò)銦柱與spad的陽(yáng)極連接；mos管m1的源極接電源vdd；mos管m2的源極接地；mos管m2的柵極接或非門的輸出端；mos管m1的柵極接b點(diǎn)，同時(shí)連接至控制整形電路中mos管m11的漏極；

電壓比較器中mos管m3的源極、mos管m4的源極共連至電流源10i0的輸出端，mos管m3的漏極同時(shí)連接至mos管m5的漏極和mos管m7的柵極，mos管m4的漏極連接至mos管m6的漏極與柵極，mos管m4的柵極接參考電壓vref；mos管m5的柵極與mos管m6的柵極共連，mos管m5的源極、mos管m6的源極、mos管m7的源極均接地；mos管m7的漏極同時(shí)連接電流源i0的輸出端與控制整形電路中mos管m9、m10的柵極；電流源i0和10i0的輸入端均連接至電源add；

控制整形電路中mos管m9、m10的漏極共連至b點(diǎn)、mos管m12、m13的柵極及mos管m11的漏極；mos管m11的柵極接反相器輸出端；mos管m10、m11、m13的源極接電源add；mos管m9的源極與mos管m8的漏極連接，mos管m8的源極接地，mos管m8的柵極接反相器輸出端；mos管m12、m13的漏極共連為淬滅電路的輸出stop；mos管m12的源極接地。

所述反相器輸入端接arm信號(hào)，經(jīng)過(guò)反相器輸出信號(hào)；輸出stop和信號(hào)經(jīng)過(guò)或非門控制充電管m2的柵壓。

參考電壓vref由電阻r1、r2、r3和mos管m14、m15、m16、m17產(chǎn)生。

在電源vdd與地之間依次連接電阻r1、r2、r3；電阻r1、r2的共接點(diǎn)同時(shí)與mos管m14的漏極、mos管m15的源極相連；電阻r2、r3的共接點(diǎn)同時(shí)與mos管m16的漏極、mos管m17的源極相連；mos管m15、m16的柵極共連至反相器輸入端；mos管m14、m17的柵極均連接接至反相器輸出端；mos管m14的源極、mos管m15的漏極、mos管m16的源極、mos管m17的漏極共連輸出參考電壓vref。

在a點(diǎn)與地之間還連接有電流源0.1i0。

spad充電至過(guò)反偏期間為高比較閾值模態(tài)，在充電結(jié)束后的準(zhǔn)備探測(cè)和淬滅階段為低比較閾值模態(tài)。

spad的陽(yáng)極通過(guò)銦柱與淬滅電路中的a點(diǎn)相連接，spad的陰極外接反偏電壓。

淬滅電路的輸出stop作為計(jì)時(shí)電路的計(jì)時(shí)停止標(biāo)志，計(jì)時(shí)電路以外部信號(hào)start的上升沿做為計(jì)時(shí)開始的標(biāo)志。

本發(fā)明所達(dá)到的有益效果：

本發(fā)明為基于雙閾值比較器的門控淬滅電路，能夠適應(yīng)大動(dòng)態(tài)范圍的觸發(fā)電流信號(hào)；能夠增加抗干擾能力和減小相對(duì)充電時(shí)間。本發(fā)明的門控淬滅電路在spad充電至過(guò)反偏期間為高比較閾值模態(tài)，以增加抗干擾能力和減小相對(duì)充電時(shí)間；在充電結(jié)束后的準(zhǔn)備探測(cè)和淬滅階段為低比較閾值模態(tài)，以降低雪崩電流觸發(fā)難度。spad轉(zhuǎn)換出的電流很微弱也能觸發(fā)比較器翻轉(zhuǎn)進(jìn)而降低spad的反偏電壓將雪崩電流淬滅。

附圖說(shuō)明

圖1本發(fā)明的淬滅電路；

圖2淬滅電路的時(shí)序圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。以下實(shí)施例僅用于更加清楚地說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案，而不能以此來(lái)限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。

大面陣激光雷達(dá)每個(gè)像素單元均包括一個(gè)讀出電路單元和一個(gè)對(duì)應(yīng)的spad探測(cè)器單元。其中，讀出電路單元由淬滅電路和計(jì)時(shí)電路組成。spad的陽(yáng)極通過(guò)銦柱indiumbump與淬滅電路相連接，spad的陰極外接反偏電壓vb，淬滅電路的輸出stop為計(jì)時(shí)電路的計(jì)時(shí)停止標(biāo)志。

本發(fā)明的淬滅電路如圖1所示。

淬滅電路組成：

(1)mos管m2為充電管，mos管m1為淬滅管。

(2)mos管m3、m4、m5、m6、m7及電流源i0和10i0構(gòu)成電壓比較器。

(3)mos管m8、m9、m10、m11、m12和m13構(gòu)成控制整形電路。

(4)電流源0.1i0為抵消spad可能的表面漏電而增加的電流源。

(5)電阻r1、r2、r3和mos管m14、m15、m16、m17產(chǎn)生參考電壓vref。

(6)arm信號(hào)經(jīng)過(guò)反相器輸出信號(hào)；stop和經(jīng)過(guò)或非門控制充電管m2的柵壓。

mos管m2與mos管m1的漏極共連至a點(diǎn)及電壓比較器中mos管m3的柵極，經(jīng)a點(diǎn)通過(guò)銦柱indiumbump與spad的陽(yáng)極連接；mos管m1的源極接電源vdd；mos管m2的源極接地；mos管m2的柵極接或非門的輸出端；mos管m1的柵極接b點(diǎn)，同時(shí)連接至控制整形電路中mos管m11的漏極。mos管m3的源極、mos管m4的源極共連至電流源10i0的輸出端，mos管m3的漏極同時(shí)連接至mos管m5的漏極和mos管m7的柵極，mos管m4的漏極連接至mos管m6的漏極與柵極，mos管m4的柵極接參考電壓vref。mos管m5的柵極與mos管m6的柵極共連，mos管m5的源極、mos管m6的源極、mos管m7的源極均接地。mos管m7的漏極同時(shí)連接電流源i0的輸出端與控制整形電路中mos管m9、m10的柵極。電流源i0和10i0的輸入端均連接至電源add?？刂普坞娐分衜os管m9、m10的漏極共連至b點(diǎn)、mos管m12、m13的柵極及mos管m11的漏極。mos管m11的柵極接反相器輸出端信號(hào)。mos管m10、m11、m13的源極接電源add。mos管m9的源極與mos管m8的漏極連接，mos管m8的源極接地，mos管m8的柵極接反相器輸出端的信號(hào)。mos管m12、m13的漏極共連為淬滅電路的輸出stop。mos管m12的源極接地。

在電源vdd與地之間依次連接電阻r1、r2、r3，電阻r1、r2的共接點(diǎn)同時(shí)與mos管m14的漏極、mos管m15的源極相連，電阻r2、r3的共接點(diǎn)同時(shí)與mos管m16的漏極、mos管m17的源極相連，mos管m15、m16的柵極共連至反相器輸入端的arm信號(hào)，mos管m14、m17的柵極均連接接至反相器輸出端的信號(hào)；mos管m14的源極、mos管m15的漏極、mos管m16的源極、mos管m17的漏極共連輸出參考電壓vref。

在a點(diǎn)與地之間還連接有電流源0.1i0。

結(jié)合圖2，外部信號(hào)start的上升沿到來(lái)時(shí)，計(jì)時(shí)開始。arm的上升沿跟隨start的上升沿，arm為高電平持續(xù)僅需1個(gè)納秒。

start為高，計(jì)時(shí)開始，arm在start為高后，立即升高，持續(xù)時(shí)間為幾個(gè)納秒。arm為高期間，電路給spad充電，使其處于過(guò)偏狀態(tài)。arm由高至低后，spad充電結(jié)束，處于準(zhǔn)備探測(cè)階段。當(dāng)光子到來(lái)且由spad轉(zhuǎn)換為一定的電流信號(hào)時(shí)，淬滅電路的輸出stop由低變高，直至start為低。

計(jì)時(shí)電路以start的上升沿做為計(jì)時(shí)開始的標(biāo)志，以stop的上升沿做為計(jì)時(shí)停止的標(biāo)志，則start的上升沿和stop的上升沿之間對(duì)應(yīng)的距離即為目標(biāo)的距離值。

詳細(xì)工作過(guò)程如下：

(1)當(dāng)arm＝1，spad充電。

arm＝1，m2的柵壓為高，a點(diǎn)電壓被拉至地，spad處于過(guò)反偏狀態(tài)，其反偏電壓為vb(vb>0)；電壓比較器的參考閾值電平為因c點(diǎn)電位為高，b點(diǎn)電位為高，淬滅管m1的柵壓為高，因而m1關(guān)斷。因?yàn)榇藭r(shí)的閾值電平較高。電路在極短的充電時(shí)間內(nèi)，即使a點(diǎn)未被拉至0電位，電壓比較器也不會(huì)發(fā)生誤動(dòng)作，相當(dāng)于降低了充電時(shí)間。

(2)當(dāng)arm＝0，準(zhǔn)備探測(cè)。

arm＝0，m2的柵壓為低，m2關(guān)斷；m8導(dǎo)通，m11關(guān)斷。電壓比較器的參考閾值電平降為m1關(guān)斷。由于a點(diǎn)為高阻態(tài)，而處于過(guò)反偏的spad必定有表面漏電流。增加0.1i0電流源來(lái)抵消此漏電，以防止a點(diǎn)電壓升高使電壓比較器發(fā)生誤動(dòng)作，進(jìn)而提高電路工作的可靠性。

(3)光子觸發(fā)及淬滅。

當(dāng)光子到來(lái)產(chǎn)生雪崩電流，電流給節(jié)點(diǎn)a充電，直到a點(diǎn)電壓大于電壓比較器發(fā)生翻轉(zhuǎn)，c點(diǎn)電壓由高變低，b點(diǎn)電壓由高變低，淬滅管m1導(dǎo)通，上拉a點(diǎn)至vdd，spad的反偏電壓降至vb-vdd，適當(dāng)選擇vdd的大小，使vb-vdd小于spad的雪崩擊穿電壓，即spad雪崩狀態(tài)被淬滅；同時(shí)，stop由低變高，標(biāo)志計(jì)時(shí)結(jié)束。

當(dāng)計(jì)時(shí)結(jié)束，start＝0，探測(cè)完成。直到系統(tǒng)復(fù)位進(jìn)行下次光子探測(cè)，則重復(fù)上述過(guò)程。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和變形，這些改進(jìn)和變形也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。