激光雷达中基于电容阵列电压合成技术的模拟前端电路的制作方法

1.本发明属于集成电路领域，具体涉及一种激光雷达中基于电容阵列电压合成技术的模拟前端电路。


背景技术：

2.在激光雷达芯片中，一个像素通常由多个spad(single photon avalanche diode，单光子雪崩二极管)组成，spad接收到光信号时会发生雪崩击穿，并将光信号转化为电信号，但是spad长时间处于击穿状态就会受到损坏，而淬灭电路的作用就是使发生雪崩击穿的spad恢复到原来未击穿的状态，这样，接收到光信号的spad产生电信号，电信号经过淬灭电路后输出一段脉冲信号，进而由合成电路将这些脉冲信号合成为一个信号。
3.相关技术中，合成电路通常采用电流合成的方式，此种合成电路由多个mos管和电流源组成的支路组合而成，通过电流叠加的方式实现合成功能。但是，电流合成电路的功耗与接收到光的spad数量成正比，因此功耗非常高。另外，相关技术中还存在一种采用或逻辑合成多路脉冲的方式，该种合成电路由多个或门组成，或门的输入与像素中spad的数量相同，这种合成电路的误差较大，并且两个spad同时产生的脉冲信号经过或门之后无法被区分，进而无法确定出实际触发spad的数量。


技术实现要素：

4.为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种激光雷达中基于电容阵列电压合成技术的模拟前端电路。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
5.一种激光雷达中基于电容阵列电压合成技术的模拟前端电路，包括合成模块、多个感光元件和多个淬灭电路；其中，
6.所述感光元件包括阴极，所述淬灭电路包括输入端和输出端，所述感光元件的阴极与所述淬灭电路的输入端电连接；
7.所述电压合成模块包括多条支路和第一节点，各支路包括反相器及电容，所述反相器包括输入端和输出端，所述电容包括第一端和第二端，所述淬灭电路的输出端与所述反相器的输入端电连接，所述电容的第一端和第二端分别与所述反相器的输出端及第一节点电连接。
8.在本发明的一个实施例中，所述合成模块还包括复位单元。
9.在本发明的一个实施例中，所述复位单元包括复位晶体管。
10.在本发明的一个实施例中，所述复位晶体管的控制端与预设电压信号端电连接，所述复位晶体管的第一端与公共电压端，所述复位晶体管的第二端与所述第一节点电连接。
11.在本发明的一个实施例中，所述复位晶体管为n型场效应晶体管。
12.在本发明的一个实施例中，所述感光元件为单光子雪崩二极管。
13.在本发明的一个实施例中，还包括参考电压信号端、第一电压信号端、第二电压信
号端和第三电压信号端，所述淬灭电路包括第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管、第四晶体管、第五晶体管、第二节点、以及与所述反相器电连接的第三节点；其中，
14.所述第一晶体管的控制端与所述参考电压信号端电连接、第一端与所述第一电压信号端电连接、第二端与所述感光元件的阴极电连接；
15.所述第二晶体管的控制端与所述感光元件的阴极电连接、第一端与所述第二电压信号端电连接、第二端与所述第二节点电连接；
16.所述第三晶体管的控制端与所述感光元件的阴极电连接、第一端与所述第二节点电连接、第二端接地；
17.所述第四晶体管的控制端与所述第二节点电连接、第一端与所述第三电压信号端电连接、第二端与所述第三节点电连接；
18.所述第五晶体管的控制端与所述第二节点电连接、第一端与所述第三节点电连接，第二端接地。
19.在本发明的一个实施例中，所述第一晶体管、所述第二晶体管和所述第四晶体管为p型场效应晶体管，所述第三晶体管和所述第五晶体管为n型场效应晶体管。
20.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
21.本发明提供了一种激光雷达中基于电容阵列电压合成技术的模拟前端电路，包括合成模块、多个感光元件和多个淬灭电路，合成模块包括第一节点、以及由反相器和电容组成的多条支路，其中，感光元件的阴极与淬灭电路的输入端电连接，淬灭电路的输出端与反相器的输入端电连接，电容的第一端和第二端分别与反相器的输出端及第一节点电连接。由于流经反相器的电流极小(可忽略不计)，因此合成模块的功耗显著降低，并且当多个感光元件同时接收到光信号时，产生脉冲的相位并不相同，因而降低了产生误差的风险，有利于提高电压合成的精度。
22.以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
23.图1是本发明实施例提供的激光雷达中基于电容阵列电压合成技术的模拟前端电路的一种示意图；
24.图2是相关技术中合成模块的示意图；
25.图3是相关技术中合成模块的另一种示意图；
26.图4是本发明实施例提供的负向脉冲淬灭电路的一种示意图；
27.图5是本发明实施例提供的正向脉冲淬灭电路的一种示意图；
28.图6是本发明实施例提供的激光雷达中基于电容阵列电压合成技术的模拟前端电路的另一种示意图；
29.图7是本发明实施例提供的反相器的一种示意图；
30.图8是本发明实施例提供的t1～t2时间段内合成模块的等效电路图。
具体实施方式
31.下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
32.如图1所示，本发明提供一种激光雷达中基于电容阵列电压合成技术的模拟前端电路100，包括合成模块10、多个感光元件l和多个淬灭电路20；其中，
33.感光元件l包括阴极，淬灭电路20包括输入端和输出端，感光元件l的阴极与淬灭电路20的输入端电连接；
34.合成模块10包括多条支路101和第一节点n1，各支路101包括反相器102及电容c，反相器102包括输入端和输出端，电容c包括第一端和第二端，淬灭电路20的输出端与反相器102的输入端电连接，电容c的第一端和第二端分别与反相器102的输出端及第一节点n1电连接。
35.本实施例中，模拟前端电路100包括合成模块10、多个感光元件l和多个淬灭电路20，其中，合成模块10由第一节点n1和多个支路101构成，每个支路101包括一个反相器102及一个电容c，且支路101的数量与感光元件l的数量相等。具体而言，请参见图1，淬灭电路20的输入端与感光元件l的阴极电连接、输出端与反相器102的输入端电连接，电容c的第一端和第二端分别与反相器102的输出端和第一节点n1电连接。当感光元件l接收到光信号并产生电信号后，电信号输入至淬灭电路20，淬灭电路20对电信号进行处理并输出一段脉冲信号，再由合成模块10将这些脉冲信号合成为一个信号。显然，本发明提供的模拟前端电路100中，合成模块10的设计方式简单、版图面积更小。
36.可以理解的是，针对淬灭电路输出的脉冲信号，相关技术中通常采用电流合成的方式，然而发明人在研究过程中发现，通过电流叠加的方式实现合成会导致功耗过高。具体地，请参见图2，相关技术中的合成模块由多个mos管和电流源构成的支路组合而成，仅当感光元件接收到光信号时，其输出的电信号才会经过淬灭电路产生脉冲，使得mos管导通，电流源中的电流流过mos管。显然，该合成模块的输出即为多路电流的叠加，它的大小与实际工作的感光元件数量成正比，因此功耗较高。而本实施例中，由于反相器自身的尺寸很小，且导通时仅有一个mos管导通，那么由电源处流到地端的电流非常小，仅当两个mos管都导通时才有较大电流流过，但该种情况只持续极短的时间，因此流经反相器102的电流可忽略不计，合成模块10的功耗显著降低。
37.此外，相关技术中还存在一种通过或逻辑实现合成功能的方式。如图3所示，淬灭电路的输入端电连接至感光元件、输出端电连接至或门的输入端，但是，当两个或多个感光元件同时产生的脉冲信号经过或门之后，合成的信号就只有一个脉冲，因此上述多个脉冲信号无法被有效区分。在本实施例中，当多个感光元件l同时接收到光信号时，淬灭电路20产生脉冲的相位并不相同，因而降低了产生误差的风险，有利于提高电压合成的精度。
38.图4是本发明实施例提供的负向脉冲淬灭电路的一种示意图。可选地，请参见图4，基于电容阵列电压合成技术的模拟前端电路100还包括参考电压信号端vbias、第一电压信号端vdd1、第二电压信号端vdd2和第三电压信号端vdd3，淬灭电路20包括第一晶体管m1、第二晶体管m2、第三晶体管m3、第四晶体管m4、第五晶体管m5、第二节点n2、以及与反相器102电连接的第三节点n3；其中，
39.第一晶体管m1的控制端与参考电压信号端vbias电连接、第一端与第一电压信号端vdd1电连接、第二端与感光元件l的阴极电连接；
40.第二晶体管m2的控制端与感光元件l的阴极电连接、第一端与第二电压信号端vdd2电连接、第二端与第二节点n2电连接；
41.第三晶体管m3的控制端与感光元件l的阴极电连接、第一端与第二节点n2电连接、第二端接地；
42.第四晶体管m4的控制端与第二节点n2电连接、第一端与第三电压信号端vdd3电连接、第二端与第三节点n3电连接；
43.第五晶体管m5的控制端与第二节点n2电连接、第一端与第三节点n3电连接，第二端接地。
44.本实施例中，淬灭电路20的第一晶体管m1、第二晶体管m2和第四晶体管m4可为p型场效应晶体管，第三晶体管m3和第五晶体管m5可为n型场效应晶体管。
45.示例性地，感光元件l为单光子雪崩二极管，包括阴极和阳极。
46.图5是本发明实施例提供的正向脉冲淬灭电路的一种示意图。请结合图4
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5，应当理解，淬灭电路20可以包括正向脉冲淬灭电路和负向脉冲淬灭电路，二者的区别之处仅在于与感光元件l的连接方式不同，本实施例中，脉冲高电位为1，低电位为0。示例性地，请继续参见图1，本实施例中淬灭电路20的输入端与感光元件l的阴极电连接，即为负向脉冲淬灭电路。
47.当然，在本技术的一些其他实施例中，上述模拟前端电路100也可以采用正向脉冲淬灭电路，也就是说，淬灭电路20的输入端与感光元件l的阳极电连接，本技术对此不做限定。
48.可选地，合成模块10还包括复位单元30，用于对合成模块进行复位，确保电容c中第一端和第二端的电位为零。本实施例中，复位单元30包括复位晶体管m0，且复位晶体管m0为n型场效应晶体管。
49.图6是本发明实施例提供的激光雷达中基于电容阵列电压合成技术的模拟前端电路的另一种示意图，下面以负向脉冲淬灭电路为例对上述模拟前端电路100的工作原理作以说明。如图6所示，合成模块10包括10个由反相器102和电容c组成的支路101，在复位阶段，复位晶体管m0导通，那么当感光元件l未接收到光信号时，对应的反相器102的输入为1，淬灭电路20中第三晶体管m3和第五晶体管m5导通，进而电容c第一端的电位复位至零，电容c接地放电，使得电容c第二端复位至零电位。
50.图7是本发明实施例提供的反相器的一种示意图。请结合图6
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7，反相器102可以包括第六晶体管m6和第七晶体管m7，第六晶体管m6和第七晶体管m7的控制端与第一节点n1电连接、第六晶体管m6的第一端与复位电压信号端vref电连接、第六晶体管m6的第二端和第七晶体管m7的第一端均与电容c的第一端电连接，第七晶体管m7的第二端接地。本实施例中，第六晶体管m6为p型场效应晶体管，第七晶体管m7为n型场效应晶体管。
51.在t1～t2时间段，假设合成模块10的6个支路101中的反相器102接收到负脉冲信号、4个支路101中的反相器102未接收到负脉冲信号，即信号电平保持为1，那么对于接收到负脉冲的反相器102，第六晶体管m6导通，进而使得与这些反相器102连接的电容c的第一端电位为1，其他反相器102接收到的信号电平则一直为1，此时复位晶体管m0导通，电容c第二端电位为0。进一步地，t1～t2时间段内合成模块的等效电路如图8所示，10个支路101中的电容c并联，等效电容为每个电容c的电容之和，根据电容分压原理即可得到合成模块10的输出，显然，该输出与负脉冲的数量成正比。
52.可选地，复位电压信号端的电位为1，公共电压端vcom的电位为0，接地电位为0。
53.需要说明的是，在本技术的一些其他实施例中，淬灭电路20也可以采用其他结构，本技术对此不作限定。
54.另外，图6所示的合成模块10中仅以10个支路的情况为例，实际上支路的个数应当根据感光元件的数量来确定。
55.通过上述各实施例可知，本发明的有益效果在于：
56.本发明提供了一种激光雷达中基于电容阵列电压合成技术的模拟前端电路，包括合成模块、多个感光元件和多个淬灭电路，合成模块包括第一节点、以及由反相器和电容组成的多条支路，其中，感光元件的阴极与淬灭电路的输入端电连接，淬灭电路的输出端与反相器的输入端电连接，电容的第一端和第二端分别与反相器的输出端及第一节点电连接。由于流经反相器的电流极小(可忽略不计)，因此合成模块的功耗显著降低，并且当多个感光元件同时接收到光信号时，产生脉冲的相位并不相同，因而降低了产生误差的风险，有利于提高电压合成的精度。
57.在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
58.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
59.尽管在此结合各实施例对本技术进行了描述，然而，在实施所要求保护的本技术过程中，本领域技术人员通过查看所述附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现所述公开实施例的其他变化。在权利要求中，“包括”(comprising)一词不排除其他组成部分或步骤，“一”或“一个”不排除多个的情况。单个处理器或其他单元可以实现权利要求中列举的若干项功能。相互不同的从属权利要求中记载了某些措施，但这并不表示这些措施不能组合起来产生良好的效果。
60.以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。