SPAD陣列讀出電路關(guān)鍵技術(shù)與發(fā)展趨勢

導(dǎo)讀

近年來，具有單光子檢測能力的單光子雪崩二極管(Single Photon Avalanche Diode, SPAD)以其靈敏度高、響應(yīng)速度快、抗干擾能力強(qiáng)、體積小等優(yōu)點(diǎn)，在諸如激光雷達(dá)、量子通信、熒光光譜分析等弱光探測領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。SPAD的各類應(yīng)用需要檢測探測器信號的讀出電路(Readout Integrated Circuit, ROIC)與之配套，以實(shí)現(xiàn)SPAD雪崩信號的快速提取與片上處理。SPAD各類應(yīng)用對陣列規(guī)模、探測器信號的提取和處理能力的要求越來越高，而大規(guī)模陣列導(dǎo)致的寄生效應(yīng)、功耗、面積等問題越來越突出，嚴(yán)重影響成像質(zhì)量，陣列型SPAD讀出電路的設(shè)計(jì)面臨很大的挑戰(zhàn)。而如果要與高性能SPAD陣列匹配，讀出電路就必須具備高速、高精度、低功耗的性能特點(diǎn)。因此，單光子探測技術(shù)的發(fā)展既依賴于先進(jìn)傳感器的研制，又離不開具備雪崩信號檢測與處理能力的專用集成電路的研發(fā)。

研究背景

典型的基于光子飛行時(shí)間(Time of Flight, TOF)的成像系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)工作時(shí)，首先由主機(jī)/延時(shí)器發(fā)出系統(tǒng)啟動(dòng)指令，ROIC完成測量前的電路復(fù)位，系統(tǒng)處于待測狀態(tài)。隨后主機(jī)發(fā)出激光發(fā)射指令EN，激光器向目標(biāo)發(fā)射激光，同時(shí)ROIC中所有像素的時(shí)間-數(shù)字轉(zhuǎn)換器(Time-to-digital Converter, TDC)開始計(jì)時(shí)。直到像素的探測器檢測到目標(biāo)反射的光子，TDC才停止計(jì)時(shí)。ROIC再將各個(gè)像素量化后的數(shù)據(jù)逐像素傳出，實(shí)現(xiàn)圖像處理與顯示。作為成像系統(tǒng)中的核心單元，ROIC需要為SPAD提供最佳偏置工作條件，并提取雪崩信號，隨后對雪崩信號進(jìn)行高精度、高速實(shí)時(shí)處理和數(shù)據(jù)傳輸。其中，對探測器雪崩信號進(jìn)行檢測的電路被稱為接口電路，接口電路為SPAD探測器提供不同探測狀態(tài)的偏置電壓，并完成雪崩信號的檢測和雪崩淬滅，最后輸出標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字信號供后續(xù)電路處理。后續(xù)電路根據(jù)系統(tǒng)具體成像應(yīng)用的需求，對雪崩信號執(zhí)行數(shù)字量化、計(jì)算等操作，最終轉(zhuǎn)換、輸出為遵循一定格式要求的數(shù)據(jù)。按照對返回光子的處理方式，主要有光子計(jì)時(shí)、光子計(jì)數(shù)兩類信號處理電路，分別對應(yīng)主動(dòng)/被動(dòng)成像應(yīng)用。

圖1 基于SPAD陣列的TOF成像系統(tǒng)

主要內(nèi)容

傳統(tǒng)接口電路的基本功能是實(shí)現(xiàn)雪崩信號的提取與淬滅，輸出標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字信號供后級電路進(jìn)行處理，近年來隨著SPAD陣列規(guī)模的不斷擴(kuò)大，各研究團(tuán)隊(duì)對SPAD接口電路也有了更高的要求和更深入的研究。為了解決陣列型SPAD擊穿電壓不一致的問題，接口電路具備了區(qū)域級或像素級調(diào)節(jié)SPAD反向偏壓的功能，可以分區(qū)域，甚至逐個(gè)像素精確調(diào)節(jié)反向偏壓。東南大學(xué)提出了一種可用于陣列的反偏電壓調(diào)節(jié)電路。如圖2所示，SPAD增益波動(dòng)抑制電路采用DAC方式提供偏置點(diǎn)電壓，該電路位于像素外部，并與內(nèi)部主動(dòng)淬滅電路配合完成偏壓調(diào)節(jié)與雪崩淬滅。工作原理如下：首先根據(jù)每個(gè)SPAD探測器的擊穿電壓，確定每個(gè)像素調(diào)節(jié)電壓的數(shù)字碼。將所有像素的數(shù)字碼通過串行總線的方式輸入電路，并通過移位寄存器傳輸給每個(gè)數(shù)據(jù)選擇器進(jìn)行電壓選擇，同時(shí)將電壓調(diào)節(jié)器各結(jié)點(diǎn)輸出電壓提供給每個(gè)選擇該電壓的像素，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)多像素APD的反偏電壓可調(diào)，通過調(diào)節(jié)之后，陣列的暗計(jì)數(shù)一致性得到明顯改善。

此外，SPAD陣列的公共電極電壓均為10V以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于ROIC的電源電壓，為了保護(hù)讀出電路，需要在電路上加入高壓擊穿保護(hù)電路，但由于ROIC的工藝一般為普通CMOS工藝，耐壓能力在5V以內(nèi)，而高壓管非常占用面積，無法在像素內(nèi)集成，目前有一些研究團(tuán)隊(duì)提出了一些擊穿保護(hù)電路結(jié)構(gòu)，但在陣列應(yīng)用中目前尚無較好的解決方案。

圖2 偏壓調(diào)節(jié)電路架構(gòu)圖 在基于光子飛行時(shí)間的應(yīng)用中，由于光子到達(dá)時(shí)間不一致，理論上每個(gè)像素均需要獨(dú)立的TDC進(jìn)行TOF的測量。利用時(shí)間放大、時(shí)間追趕等電路架構(gòu)，傳統(tǒng)獨(dú)立TDC的時(shí)間分辨率已經(jīng)可以達(dá)到1ps以下。但是，由于像素電路受到嚴(yán)格的面積和功耗限制（一般要求像素中心間距在50μm以下），所以上述高精度TDC中常用的實(shí)現(xiàn)方法無法用于陣列TDC，導(dǎo)致陣列型TDC的精度難以提升。

其次在轉(zhuǎn)換位數(shù)有限的條件下，TDC的量化精度和量程相互制約。對于寬動(dòng)態(tài)范圍的量化場合，傳統(tǒng)的單模式TDC難以協(xié)調(diào)精度和量程之間的矛盾。而且單模式TDC如需改善分辨率、提高精度，就需要不斷減小量化單位，導(dǎo)致時(shí)鐘頻率不斷提高、功耗顯著增大，因此量化精度的提高也會(huì)受到系統(tǒng)功耗的限制。而由不同類型的單模式TDC共同組合（時(shí)空域變換）構(gòu)成的分段式TDC，即有多種不同最低有效位作為量化單位的組合式TDC，能夠以更低的代價(jià)高效實(shí)現(xiàn)多位量化，兼顧量程和精度，同時(shí)可以避免時(shí)鐘頻率和系統(tǒng)功耗的過度增加。

瑞士洛桑理工學(xué)院是較早實(shí)現(xiàn)大面陣高精度讀出電路的研究機(jī)構(gòu)之一，該機(jī)構(gòu)提出了一種基于TDC共享架構(gòu)的低功耗ROIC，陣列規(guī)模擴(kuò)展至128×128，時(shí)間分辨率最高可達(dá)97ps，系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。在該陣列ROIC中僅有32個(gè)TDC模塊，采用行掃描機(jī)制分時(shí)共享TDC，且一行中每四個(gè)像素為一組，一組共享一個(gè)TDC。由于采用TDC共享機(jī)制和逐行掃描方案，所以該系統(tǒng)僅需32個(gè)TDC即可實(shí)現(xiàn)128×128像素陣列的量化工作，極大地降低了系統(tǒng)功耗。又因?yàn)門DC位于像素陣列外部，不受像素面積的限制，所以可以采用一種較為復(fù)雜的多段式TDC架構(gòu)，最終系統(tǒng)的時(shí)間分辨率能夠達(dá)到百皮秒以內(nèi)。

圖3 基于TDC共享方案的ROIC架構(gòu)

TDC共享方案通過減少系統(tǒng)中TDC的個(gè)數(shù)來實(shí)現(xiàn)低功耗，同時(shí)TDC面積不受單個(gè)像素單元的限制，因此可以采用多段式TDC、時(shí)間放大等方法提高時(shí)間分辨率。TDC共享方案可以兼顧功耗與精度，但犧牲了成像分辨率和檢測效率。共享架構(gòu)導(dǎo)致使用同一個(gè)TDC的像素每幀只能探測一個(gè)返回光子，因此TDC共享技術(shù)主要適用于成像實(shí)時(shí)性要求不高、光子稀疏的特定應(yīng)用場合。

結(jié)論

縱觀國內(nèi)外SPAD陣列讀出電路的發(fā)展，其陣列規(guī)模的進(jìn)展較為緩慢，除了制造工藝的問題外，讀出電路的發(fā)展也遇到了技術(shù)瓶頸。主要的原因是隨著陣列規(guī)模的增大，電路功耗成比例增加，尤其對于普遍需要制冷的SPAD探測器來說，此類問題影響更為嚴(yán)重，成為限制SPAD面陣規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)大的主要因素。事件驅(qū)動(dòng)型TDC、像素共享型TDC的架構(gòu)提出解決了一部分的功耗問題，但是隨著ROIC時(shí)間分辨率精度的要求提升，電路工作頻率的提高，以及電路功能的增加，功耗仍是一個(gè)較難解決的問題。其次SPAD探測器由于極高的增益，易產(chǎn)生暗計(jì)數(shù)，而暗計(jì)數(shù)引起的雪崩信號與光計(jì)數(shù)類似，電路難以區(qū)分，導(dǎo)致電路TOF的量化數(shù)據(jù)存在大量的無效數(shù)據(jù)，需要多幀檢測進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，實(shí)際成像速度非常低。如何在電路硬件中融合去噪算法，也是今后讀出電路需要重點(diǎn)解決的問題。

隨著SPAD陣列應(yīng)用需求的進(jìn)一步發(fā)展，讀出電路將集成更多的功能，例如片上數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、返回光子事件多回波檢測、自由探測模式等。SPAD陣列讀出電路將進(jìn)一步向感、存、算一體化方向發(fā)展，最終真正實(shí)現(xiàn)單芯片成像。





審核編輯：劉清