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探測技術(shù)，可以用來進行測距測角等，因此其在軍事和民用領(lǐng)域到了廣泛的應(yīng)用。

成像激光雷達分為多種工作模式。如采用單元探測器的掃描成像與采用陣列探測器的非掃描成像。采用單元探測器的掃描成像作用距離可以很遠，但成像速率會受到一定的限制；采用傳統(tǒng)大面陣探測器的非掃描成像激光雷達是基于線性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，所以作用距離不會太遠。

apd兩端的反向偏置電壓低于其雪崩擊穿電壓時，apd的輸出電流與入射光強成正比，即apd工作在線性模式；當(dāng)偏置電壓大于雪崩擊穿電壓時(過反偏狀態(tài))，一個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。這種由單個光生載流子快速觸發(fā)產(chǎn)生的可探測雪崩電流，使得apd可實現(xiàn)單光子的有效探測。因此，基于大面陣蓋革(gm)apd的激光雷達不僅成像速度快，可以時時捕捉動態(tài)目標，而且可以作用非常遠的距離，實現(xiàn)超遠距離成像。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探測器需要配套大面陣激光雷達讀出電路，而目前國內(nèi)激光雷達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)模達到64x64像素單元甚至更高時，激光雷達讀出電路只能采用單片集成的方法實現(xiàn)?；跇藴实腸mos工藝實現(xiàn)大面陣激光雷達讀出電路芯片，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，在實現(xiàn)對目標高幀頻率捕獲的同時獲得高精度的時間分辨率。

當(dāng)spad處于過反偏時,由于光子的觸發(fā)，spad會產(chǎn)生自持續(xù)電流。如果不采取任何抑制措施，雪崩過程將會持續(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兩端的電壓來抑制雪崩。

spad淬滅電路的作用就是快速檢測到雪崩電流并提取出一個標準的數(shù)字信號,同時減小spad的反偏電壓至雪崩電壓以下，進而淬滅雪崩電流。淬滅電路的性能直接影響探測系統(tǒng)的整體。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

受現(xiàn)有spad材料性能和國內(nèi)加工手段的限制，單光子觸發(fā)近ma級的電流很難實現(xiàn)；同時考慮面陣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間內(nèi)響應(yīng)。本發(fā)明所要解決的技術(shù)問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)大動態(tài)范圍的觸發(fā)電流信號。其中，門控方式同傳統(tǒng)的電阻被動淬滅、主動和混合淬滅控制方式相比，它可以使spad只在短暫的時間內(nèi)工作于過反偏模式下,因而提高了spad的使用壽命和可靠性，且有效降低器件暗計數(shù)率。

為解決上述技術(shù)問題，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點及電壓比較器中mos管m3的柵極，經(jīng)a點通過銦柱與spad的陽極連接；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，同時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、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，經(jīng)過反相器輸出信號；輸出stop和信號經(jīng)過或非門控制充電管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的共接點同時與mos管m14的漏極、mos管m15的源極相連；電阻r2、r3的共接點同時與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點與地之間還連接有電流源0.1i0。

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

spad的陽極通過銦柱與淬滅電路中的a點相連接，spad的陰極外接反偏電壓。

淬滅電路的輸出stop作為計時電路的計時停止標志，計時電路以外部信號start的上升沿做為計時開始的標志。

本發(fā)明所達到的有益效果：

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)大動態(tài)范圍的觸發(fā)電流信號；能夠增加抗干擾能力和減小相對充電時間。本發(fā)明的門控淬滅電路在spad充電至過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充電時間；在充電結(jié)束后的準備探測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)進而降低spad的反偏電壓將雪崩電流淬滅。

附圖說明

圖1本發(fā)明的淬滅電路；

圖2淬滅電路的時序圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步描述。以下實施例僅用于更加清楚地說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而不能以此來限制本發(fā)明的保護范圍。

大面陣激光雷達每個像素單元均包括一個讀出電路單元和一個對應(yīng)的spad探測器單元。其中，讀出電路單元由淬滅電路和計時電路組成。spad的陽極通過銦柱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為計時電路的計時停止標志。

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信號經(jīng)過反相器輸出信號；stop和經(jīng)過或非門控制充電管m2的柵壓。

mos管m2與mos管m1的漏極共連至a點及電壓比較器中mos管m3的柵極，經(jīng)a點通過銦柱indiumbump與spad的陽極連接；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，同時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、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。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。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的共接點同時與mos管m14的漏極、mos管m15的源極相連，電阻r2、r3的共接點同時與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，mos管m14、m17的柵極均連接接至反相器輸出端的信號；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點與地之間還連接有電流源0.1i0。

結(jié)合圖2，外部信號start的上升沿到來時，計時開始。arm的上升沿跟隨start的上升沿，arm為高電平持續(xù)僅需1個納秒。

start為高，計時開始，arm在start為高后，立即升高，持續(xù)時間為幾個納秒。arm為高期間，電路給spad充電，使其處于過偏狀態(tài)。arm由高至低后，spad充電結(jié)束，處于準備探測階段。當(dāng)光子到來且由spad轉(zhuǎn)換為一定的電流信號時，淬滅電路的輸出stop由低變高，直至start為低。

計時電路以start的上升沿做為計時開始的標志，以stop的上升沿做為計時停止的標志，則start的上升沿和stop的上升沿之間對應(yīng)的距離即為目標的距離值。

詳細工作過程如下：

(1)當(dāng)arm＝1，spad充電。

arm＝1，m2的柵壓為高，a點電壓被拉至地，spad處于過反偏狀態(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點電位為高，b點電位為高，淬滅管m1的柵壓為高，因而m1關(guān)斷。因為此時的閾值電平較高。電路在極短的充電時間內(nèi)，即使a點未被拉至0電位，電壓比較器也不會發(fā)生誤動作，相當(dāng)于降低了充電時間。

(2)當(dāng)arm＝0，準備探測。

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點為高阻態(tài)，而處于過反偏的spad必定有表面漏電流。增加0.1i0電流源來抵消此漏電，以防止a點電壓升高使電壓比較器發(fā)生誤動作，進而提高電路工作的可靠性。

(3)光子觸發(fā)及淬滅。

當(dāng)光子到來產(chǎn)生雪崩電流，電流給節(jié)點a充電，直到a點電壓大于電壓比較器發(fā)生翻轉(zhuǎn)，c點電壓由高變低，b點電壓由高變低，淬滅管m1導(dǎo)通，上拉a點至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，stop由低變高，標志計時結(jié)束。

當(dāng)計時結(jié)束，start＝0，探測完成。直到系統(tǒng)復(fù)位進行下次光子探測，則重復(fù)上述過程。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，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和變形，這些改進和變形也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。