電子裝置及其操作方法
【專利摘要】一種裝置，包括：至少一個光敏器件，所述光敏器件或所述光敏器件中的每一個被提供有電壓；以及控制器，被配置用于控制電壓源，所述控制器被配置為使得所述電壓源在校準模式中向所述光敏器件或所述光敏器件中的每一個施加至少一個校準電壓，以確定在正常操作模式中將由所述電壓源提供的電壓。
【專利說明】電子裝置及其操作方法
【技術領域】
[0001]本公開涉及方法和裝置，并且具體地但不是排他性地涉及包括至少一個光敏器件的裝置及其相關方法。
【背景技術】
[0002]單光子雪崩探測器(SPAD)基于在其擊穿區(qū)域外偏置的p-n結器件。高反偏置電壓生成足夠大的電場，使得引入到p-n結器件的耗盡層中的單電荷載流子可以引起自維持雪崩。該電荷載流子可以通過光子的碰撞(碰撞電離)而釋放?？梢詫PAD進行淬滅，使得器件重置以探測其它光子。

【發(fā)明內容】

[0003]根據第一方面，提供有一種裝置，該裝置包括:至少一個光敏器件，所述光敏器件或所述光敏器件中的每一個被提供有電壓；以及控制器，該控制器被配置用于控制電壓源，所述控制器被配置用于使得所述電壓源以校準模式向所述光敏器件或所述光敏器件中的每一個施加至少一個校準電壓，以確定在正常操作模式下將由所述電壓源提供的電壓。
[0004]根據另一方面，提供有一種方法，該方法包括:控制電壓源以在校準模式下向至少一個光敏器件施加至少一個校準電壓，以確定在正常操作模式下將由電壓源提供的電壓。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0005]現(xiàn)在將僅通過示例的方式參照附圖，在附圖中:
[0006]圖1是具有淬滅和讀出電路的一個SPAD的示圖；
[0007]圖2示出了一個實施例的示意圖；
[0008]圖3示出了一個實施例的方法；
[0009]圖4不意性地不出了 SPAD偏置電壓和操作條件；
[0010]圖5和圖6更詳細地圖示了圖13的布局的操作；
[0011]圖7A至圖7F是圖示了圖13的布局的操作的時序圖；
[0012]圖8A至圖8E、圖9A至圖9E以及圖1OA至圖1OF是圖示了圖11所示器件的操作的時序圖；
[0013]圖11圖示了用于基于從圖13的布局得到的信號計算離對象的距離的器件；
[0014]圖12示出了一個實施例的框圖；
[0015]圖13更詳細地圖示了圖12的實施例的部分；以及
[0016]圖14不出了具有SPAD布局的一個器件。
【具體實施方式】
[0017]單光子雪崩二極管或“SPAD”也稱為蓋革模式雪崩光二極管GAPD。這些器件具有反偏置的p-n結,在其中由于碰撞電離機制,光生載流子可以觸發(fā)雪崩電流。SPAD可以被設計成利用剛好在擊穿電壓之上的反偏置電壓操作。
[0018]圖1示意性地示出了單光子雪崩二極管(SPAD) 101。SPAD101具有反偏置的p_n結102。反偏置的p-n結102具有聞反偏置電壓(_VBKEAKDQWN)。利用該反偏置電壓,生成較聞電場，使得注入到耗盡層中的單電荷載流子經由碰撞電離觸發(fā)自維持雪崩。換言之，碰撞在反偏置P-n結器件102上的光子釋放單電荷，該單電荷觸發(fā)鏈反應，該鏈反應釋放導致大電流的大量電子。
[0019]為了重置器件102，對電流進行淬滅。在不進行淬滅的情況下，p-n結器件102會被永久地損壞。
[0020]已知不同種類的淬滅。例如，可以使用被動或主動淬滅。被動淬滅例如可以使用與SPAD串聯(lián)的電阻器。隨著跨電阻器的較高值電阻形成電壓降，雪崩電流被有效地淬滅。備選地，可以使用主動淬滅。
[0021]圖1示出了其中使用被動淬滅的示例。P型MOSFET (金屬氧化物半導體場效應晶體管)100設置成與P-n結器件102串聯(lián)，并且連接在更為正向的電壓Vexcess與反偏置p_n結器件102之間。淬滅電壓Vquench施加到M0SFET100的柵極。M0SFET100有效地用作較高電阻的電阻器。
[0022]在圖1中可以示意性地看到在M0SFET100與p-η結器件102之間的節(jié)點106處的電壓波形。初始地，節(jié)點106的輸出處于較高電壓。當光子碰撞在p-n器件102上時，這造成較大電流迅速地流動，這引起節(jié)點106上的電壓迅速下降。隨著施加淬滅電壓，節(jié)點106處的電壓向上回升到初始電壓值。節(jié)點106處的電壓波形被傳遞通過反相器104，從而給出具有低電平和高電平的方波，低電平表不在光子碰撞在p-n器件上之前和在淬滅之后的狀態(tài)，高電平表示光子的碰撞。反相器104的輸出可以提供給待處理的探測電路裝置。例如，反相器104的輸出可以輸入到計數(shù)器，該計數(shù)器每當反相器的輸出變高時就進行計數(shù)。
[0023]應理解到，圖1所示的SPAD和淬滅布局僅作為示例，備選地可以使用其它結構。例如，可以使用主動淬滅。在實施例中可以使用其它被動淬滅布局。
[0024]在一些實施例中，可以使用正擊穿電壓。在該情況下，SPAD將連接到更為正向的電壓，在SPAD與更為負向的電壓之間具有淬滅布局。淬滅布局例如可以為N型晶體管。
[0025]應理解到，在一些實施例中可以省略反相器。附加地或備選地，可以使用任意合適的探測電路裝置。
[0026]在一些實施例中，使用SPAD的陣列。然而,應理解到，一些實施例可以使用單個SPAD0
[0027]需要擊穿電壓將雪崩二極管放置在蓋革操作區(qū)域中，并且使得p-n器件操作為SPAD。通過跨p-n器件的電壓差，而不是反偏置p-n結器件的任一側上的絕對電壓值，來控制擊芽電壓。
[0028]二極管的擊穿電壓可以對以下因素中的一個或多個敏感:處理變化；SPAD設計；部件隨時間的變化；以及溫度變化。
[0029]在設置于芯片上、裸片上或作為芯片組中的一部分的SPAD中，提供給SPAD的該電壓可以由位于同一芯片或裸片上或者位于芯片組的另一芯片或另一裸片(例如封裝有具有SPAD的裸片)上的電壓源提供。備選地，電壓電源可以為外部電源。如果SPAD利用太低或太高的電壓差(由電壓電源控制)反偏置，則P-n器件將不操作為單光子敏感的雪崩二極管。
[0030]為了確保SPAD的考慮以上因素中的一個或多個的校正操作,應校準所使用的電壓。在針對特定SPAD或該SPAD的使用確定最佳擊穿電壓時可以考慮各種不同的因素。例如，在一些情形中，可以將最佳偏置電壓考慮為SPAD實現(xiàn)其最大計數(shù)速率或最佳時序性能的電壓。備選地，在一些實施例中，可以將最佳電壓考慮為操作區(qū)域的中央，這可以提供計數(shù)速率、時序性能和黑暗計數(shù)速率中的兩個或更多之間的折衷。(SPAD可以對引發(fā)雪崩過程的熱生載流子敏感。當SPAD處于完全黑暗時每秒的平均計數(shù)稱為黑暗計數(shù)速率并且是在定義探測器噪聲時使用的參數(shù)。黑暗計數(shù)速率的倒數(shù)限定SPAD在由不期望的熱處理觸發(fā)之前將保持偏置在擊穿之上的平均時間。通常，SPAD設計成保持偏置在擊穿之上足夠長的時間，以便正確地作為單光子探測器工作。)
[0031]一些實施例可以允許單光子雪崩二極管在大范圍的溫度條件下操作和/或適應處理變化和/或設計變化。
[0032]在一些實施例中，可以相對頻繁地實施擊穿電壓的重新校準。
[0033]應理解到，當首先使用器件和/或每當使用器件時，可以執(zhí)行電壓校準。在每當使用該器件時執(zhí)行校準的情況下，可以在該器件的使用期間重復地實施校準。
[0034]SPAD設計的前述方案無法識別對調整偏置電壓的需要。發(fā)明人意識到，例如隨著溫度條件變化，SPAD二極管的擊穿電壓會漂移。如果例如片上電壓源提供的電壓是固定的，則擊穿電壓對于SPAD在蓋革模式下操作可能是不夠的或者是太高的，并且具有前面所述的效應。
[0035]在一些實施例中，SPAD布局可能需要在大范圍的溫度條件下操作。在一些SPAD中，可能存在擊穿電壓大約每10攝氏度0.1V的變更。這可能是重要的，因為在一些情況下，SPAD的操作區(qū)域可能具有在最低可用電壓和最高可用電壓之間的1-2V的范圍。
[0036]參照圖2，圖2示出了一個實施例。布局包括電壓源4。該電壓源可以提供例如Vexcess，如圖1所示。該電壓源可以是片上電壓源。在電壓源為片上電壓源的情況下，該電壓源可以為電荷泵。在一些實施例中，由于SPAD可能需要較高電壓(與普通的芯片電壓相比)?？梢砸匀我夂线m的方式控制SPAD電壓電源，例如通過可由來自芯片的輸出控制的片上電荷泵、調節(jié)器或外部電源的方式。應理解到，在備選實施例中，電壓源可以在芯片外部并且也可以采用任何合適格式。
[0037]電壓源4被配置為控制施加給SPAD陣列2的電壓。在一個實施例中，可以使用電
壓源4來控制Vexcess,而-Vbreakdwn保持恒定。備選地，可以將Vexcess保持恒定并且可以通過電壓源控制 "^BREAKDOWN ° 在一些實施例中，-V


BREAKDOWN 和 VeXCESS 可以變化。
[0038]在下面的示例中，電壓源將控制Vekess。電壓源4提供在SPAD陣列1/2的每個SPAD中使用的電壓。每個SPAD可以如圖1所示。每個SPAD的輸出提供給數(shù)字計數(shù)器6。在一個實施例中，數(shù)字計數(shù)器6每當反相器104的輸出變高時將進行計數(shù)，如圖1所示。數(shù)字計數(shù)器6的輸出輸入到控制器8?？刂破骺梢圆捎萌魏魏线m形式并且可以由硬件、軟件和/或二者的組合來實現(xiàn)。在一些實施例中，控制器可以包括固件控制器。控制器8的輸出用于提供對電壓源4的輸入。控制器8提供的輸入控制電壓源4提供的電壓。
[0039] 控制器8被配置為使圖2的布置置于校準模式。當布局處于校準模式時，由控制器8提供控制信號給光源驅動器9。光源驅動器9又將控制光源12，使其接通或斷開。在器件是芯片等的一部分的情況下，光源可以處于同一封裝體中或處于不同封裝體中。
[0040]控制器被配置為使得電壓源向陣列施加一個或更多個不同電壓。
[0041 ] 在一些實施例中，控制器可以被配置為控制電壓源通過多個輸出電壓值循環(huán)。與每個輸出校準電壓相關聯(lián)的計數(shù)由控制器8存儲。基于校準(即計數(shù))的結果，控制器將選擇在SPAD陣列的正常操作期間將由電壓源提供的適當電壓。
[0042]在一些實施例中，用于校準的SPAD陣列可以為參考SPAD陣列或可以是用于探測的SPAD陣列的部分或全部。如果用于校準的SPAD陣列為參考陣列，則可以使參考陣列在例如閉合殼體中避開周圍光線。如果用于校準的SPAD陣列也在正常操作中使用，則可以在校準模式期間遮蔽SPAD陣列。
[0043]參照圖3，圖3示出了一個實施例的方法。
[0044]在步驟SI中，校準循環(huán)開始。校準循環(huán)的開始可以由控制器控制。
[0045]在步驟S2中，控制電壓源輸出第一校準電壓并且激活或接通光源。電壓源可以由控制器控制。
[0046]在步驟S3中，將該第一校準電壓的計數(shù)器的輸出由控制器存儲在可由控制器訪問的存儲器中。存儲器可以是控制器的一部分或這與控制器是分離的。
[0047]在步驟S4中，針對每個剩余的校準電壓重復步驟S2和S3?？梢猿掷m(xù)地激活光源或者可以每當施加新電壓時激活光源。
[0048]在步驟S5中，通過控制器使用計數(shù)結果來選擇在操作模式下電壓源將提供的電壓值。
[0049]在一些實施例中，以定義的時間間隔實施校準循環(huán)。在一些實施例中，正常操作模式可以插入有校準模式周期。在一些實施例中，取決于SPAD布局的使用，可以當不需要SPAD處于正常操作模式時執(zhí)行校準。
[0050]在一些備選實施例中，校準循環(huán)被控制成響應于一個或多個條件的確定而備選地或附加地發(fā)生。例如，在一些實施例中，可以提供一個或多個傳感器，并且可以使用這些傳感器的輸出控制何時執(zhí)行校準循環(huán)。例如，在一些實施例中，可以使用溫度傳感器并且這例如可以用于控制校準循環(huán)?？梢允褂媒^對溫度，以便控制何時使用校準循環(huán)。備選地或附加地，當溫度改變了預定量時，然后可以執(zhí)行校準循環(huán)。
[0051]在一些實施例中，計數(shù)器6將收集校準期間來自陣列的所有SPAD的所有值，并且使用該信息來確定跨陣列的平均值。
[0052]在其它實施例中，計數(shù)器將收集來自陣列的一個或僅一些SPAD的值。
[0053]參照圖4，圖4示出了 SPAD偏置電壓和操作條件的概要。圖4的y軸的電壓表示幅度值而不是絕對值。如果擊穿電壓(即跨SPAD的電壓差)不夠，則SPAD絕不會啟動。這被標記為200。
[0054]隨著電壓增加，SPAD進入其正常操作范圍。這被標記為202。在這個區(qū)域中，光子的碰撞釋放的能量觸發(fā)雪崩效應。
[0055]隨著電壓進一步增加，電壓對于SPAD而言太高以至于無法根據需要操作。這是區(qū)域204。實踐中，可能不會如圖4所示那樣清晰地限定區(qū)域之間的劃分。因而，在一些實施例中，可能期望SPAD電壓使得SPAD完全操作在區(qū)域202內并且不靠近鄰近于區(qū)域200或區(qū)域400的邊界區(qū)域。區(qū)域202可以被認為是其中SPAD對光最大響應的區(qū)域。不同實施例對于選擇最適當電壓而言可以使用不同選項。應理解到，在一些實施例中，可以獲得多于一個的電壓設置選項。這可以通過控制器進行選擇。這可以例如依賴于使用、環(huán)境條件(例如溫度)或任何其它合適參數(shù)。
[0056]期望的偏置電壓可以是SPAD實現(xiàn)最大計數(shù)速率、最佳時間性能或者提供計數(shù)速率、時序性能和/或黑暗計數(shù)速率之間的折衷的電壓所處的電壓。
[0057]在一個實施例中，可以選擇提供最大SPAD電流速率的電壓設置。電壓設置可以從低電壓(即SPAD的電壓的擊穿以下)增加直到建立SPAD的擊穿電壓。當通過數(shù)字計數(shù)器探測到適當計數(shù)時確定SPAD80的擊穿電壓?？梢允┘庸潭ǖ碾妷浩苹蛟黾樱沟弥榔迷O置在擊穿電壓以外多遠。
[0058]電壓偏移可以通過控制器來控制并且可以獲得不同的偏移。
[0059]備選地,差值電壓可以設置得高于最大SPAD偏置電壓,使SPAD置于永久擊穿。然后可以降低偏置電壓直到SPAD開始操作。偏置電壓則可以降低固定量，以便將SPAD置于相對于最大擊穿電壓固定的偏置電流處。
[0060]在一個備選實施例中，控制器可以選擇電壓。如果SPAD根據需要操作，則使用該電壓并且如果不選擇另一電壓。
[0061]在另一方法中，如果SPAD在所選電壓下根據需要操作，則檢查SPAD是否在該所選電壓的一側或另一側或兩側上偏移地操作。如果SPAD不是例如在任一側上偏移地根據需要工作，則可以使用相對偏移電壓的性能作為關于是增加還是減小所選電壓的向導，來選擇新的SPAD電壓。
[0062]備選地或附加地，一些實施例可以使用二進制搜索或半區(qū)間型技術。例如，在每個步驟中，算法可以將與使用的校準電壓值相關聯(lián)的計數(shù)與期望的計數(shù)值進行比較。如果值匹配或者在給定范圍內，則確定校準電壓為候選電壓值。可以使用一些其它的校準電壓，例如通過使用一個或多個偏移，來確定校準電壓是否完全在期望的操作范圍內。
[0063]如果計數(shù)值沒有給出期望結果，則根據計數(shù)值，可以在下一校準循環(huán)中使用較高或較低的校準電壓。對此進行重復直到校準電壓給出需要的性能。
[0064]在實施例中使用的SPAD陣列可以具有任意合適的應用。例如，一些實施例可以使用于范圍應用中。
[0065]現(xiàn)在參照圖12，圖12示意性地示出了實施例的概況。布局包括第一 SPAD陣列I和參考SPAD陣列2。每個SPAD陣列包括多個SPAD器件。
[0066]SPAD陣列I提供多個輸出。通過示例的方式，陣列的每個SPAD可以提供輸出。第一 SPAD陣列I的相應輸出提供給相應的電路裝置30-2，該電路裝置30-2被布置成對相應SPAD的輸出進行成形。該電路裝置將被稱為脈沖成形電路裝置。每個輸出因而可以具有其自己的脈沖成形電路裝置。
[0067]類似地，參考SPAD陣列2的相應行輸出提供給相應的脈沖成形電路裝置30_1。每個與第一 SPAD陣列I相關聯(lián)的脈沖成形電路裝置30-2的輸出輸入到OR樹5。類似地，每個與第二 SPAD陣列2相關聯(lián)的脈沖成形電路30-1的輸出提供給第二 OR樹6。第一 OR樹5的輸出提供給延遲鎖定環(huán)DLL8-2，而第二 OR樹6的輸出提供給第二 DLL8-1。
[0068]兩個DLL的輸出通過比較器布局38進行比較，以確定對象的距離，如稍后將更詳細描述的那樣。在本示例中，為相應陣列的每個SPAD提供脈沖成形電路裝置，而在其它實施例中，可以支持脈沖成形電路裝置與陣列的輸出之間的不同關系。
[0069]一些實施例可以基于兩個SPAD或SPAD陣列(一個是參考SPAD，另一個是測量SPAD)提供的信號之間的平均相移來得到范圍信息。這將在稍后更詳細地進行描述。這例如可以用于其中確定對象離器件的距離的范圍應用中。
[0070]在一些實施例中，可以校準兩個陣列中的僅一個陣列。例如，這可以是參考陣列。在其它實施例中，可以校準這兩個陣列。
[0071]一些實施例可以集成在實現(xiàn)信號之間的相移的精確確定的器件中。
[0072]圖13更詳細地示出了可以與圖12的布局相關聯(lián)的一些電路裝置。為簡便起見，圖13圖示了第一 SPAD陣列I的單個SPAD(SPAD2)以及參考陣列2的單個SPAD(SPADl)。應理解到，圖3的OR樹未示出。
[0073]該器件包括電生成器10( “脈沖”)，該電生成器10具有向光源12供電的周期方波輸出。電生成器10可以是圖2的控制器9的一部分。參考陣列的第一單光子雪崩二極管SPADl放置得非?？拷庠?2并且因而可以幾乎瞬間接收到由光源12傳送的信號。
[0074]第二單光子雪崩二極管SPAD2放置成接收由光源12發(fā)出的在對象16上反射之后的光信號。例如可以使用兩個二極管之間的掩膜系統(tǒng)，使得二極管SPAD2不接收由光源12直接發(fā)出的光，并且使得通過在器件內部反射的光占有主導地位地觸發(fā)二極管SPAD1。
[0075]非?？拷庠?2的傳感器SPADl的使用提供相對于直接由生成器10提供的參考信息改進的參考信息。實際上，由于傳感器SPADl出來的信號與傳感器SPAD2出來的信號是相同類型的，所以其他條件諸如周圍光線可以對兩種信號具有相同影響。因而這些信號之間的比較可以比傳感器SPAD2輸出的信號與生成器10輸出的信號之間的比較更可靠。然而，應理解到，在一些實施例中，可以省略參考SPAD。
[0076]二極管SPADl和SPAD2在接收到它們接收的光束時生成脈沖。在以下描述中，由于與二極管SPADl和SPAD2相關聯(lián)的電路是相同的，所以將使用擴展“_1”指代與二極管SPADl相關聯(lián)的電路元件，并且將使用擴展“_2”指代與二極管SPAD2相關聯(lián)的電路元件。
[0077]現(xiàn)在將描述與由二極管SPADl生成的信號相關聯(lián)的電子電路，與二極管SPAD2相關聯(lián)的電路是相同的。
[0078]由二極管SPADl發(fā)出的信號穿過脈沖成形電路30-1，脈沖成形電路30_1實現(xiàn)二極管SPADl生成的脈沖的重新成形。更具體而言，電路30-1遞送信號SPAD1’，該信號SPAD1’展現(xiàn)具有與信號SPADl脈沖的開始相一致的開始的脈沖，但具有恒定的持續(xù)時間。
[0079]生成器10 ( “脈沖”)出來的信號耦合到DLL8-1的輸入，并且具體地耦合到可變相移的移相器電路32-1的輸入，其值根據作為控制向其施加的電壓V-1而改變。移相器32-1的輸出稱為ADAPT-1，因而相對于生成器10生成的信號而相移，并且是DLL8-1的輸出。AND門34-1在其兩個非反向輸入上接收信號SPAD1’和信號ADAPT-1。第二 AND門36_1在第一非反向輸入上接收信號SPAD1’，并且在第二反向輸入上接收ADAPT-1。門34_1的輸出稱為UP-1，并且門36-1的輸出稱為D0WN-1。信號UP-1和D0WN-1分別控制電流源IUP-1和IDOffN-1的激活，電流源IUP-1和ID0WN-1分別放置在供電電源與電容器C-1的第二端子之間以及電容器C-1的第一端子與接地之間。電容器C-1放置在電流源與接地的接合點處?？珉娙萜鰿-1的電壓對應于用于控制可變相移的移相器32-1的信號V-1。該電路裝置為DLL8-1。[0080]與二極管SPADl相關聯(lián)的電路的信號ADAPT-1和與二極管SPAD2相關聯(lián)的電路的信號ADAPT-2耦合到比較系統(tǒng)38的輸入(COMP)，該比較系統(tǒng)提供取決于信號ADAPT-1和ADAPT-2之間的相移的信號SD。
[0081]圖5是圖示了移相器32-1的操作的圖表。該曲線圖示了根據控制電壓V-1的值而在輸出信號ADAPT-1和輸入信號PULSE之間的相移信號DELAY。如該曲線所示，相移是恒定的，并且等于比電壓V-1min小的電壓V-1的持續(xù)時間Dmin，并且當電壓V-1大于電壓V-1max時等于值Dmax。在電壓V-1min和V-1max之間，相移信號DELAY與值Dmin和Dmax之間的正向斜坡成線性關系。作為示例，最小相移Dmin可以等于零，并且最大相移Dmax可以等于生成器10的輸出信號的周期。如果已知離待探測對象的距離暗示著預定值之間的延遲范圍，則例如可以使用其它配置。
[0082]圖6是圖示了包括電流源IUP-1和1D0WN-1的系統(tǒng)的操作的圖表。圖6的圖表圖示了電流源IUP-1和1D0WN-1根據信號UP-1和D0WN-1的持續(xù)時間的激活時間。閾值IPULSE限定了信號UP-1和D0WN-1的持續(xù)時間不受影響的最小時間限制。目的在于，當激活電流源IUP-1時，例如對電容器C-1充電，這樣增加了電壓V-1，并且當激活電流源1D0WN-1時，對電容器C-1放電，這樣降低了電壓V-1。
[0083]當信號UP-1的高態(tài)的時間超過持續(xù)時間TmsE時，激活電流源IUP-1預定持續(xù)時間tmax。當信號D0WN-1在大于持續(xù)時間TmsE的持續(xù)時間處于高態(tài)時，激活電流源ID0WN-1持續(xù)時間tmax，并且電容器C-1放電預定值。如果控制信號UP-1和D0WN-1的持續(xù)時間短于Tpulse的持續(xù)時間，則電流源IUP-1和ID0WN-1的激活持續(xù)時間與該持續(xù)時間成比例。因而，在一個循環(huán)期間，如果信號UP-1和D0WN-1交替處于高態(tài)，則注入到電容器C-1中的電流量可以為零。
[0084]圖7A至圖7F是圖示了用于二極管SPAD2的圖3和圖4的器件的操作的時序圖。更具體而言，圖7A圖示了光源12的生成器10的輸出處的信號TOLSE，圖7B圖示了信號ADAPT-2，圖7C圖示了二極管SPAD2發(fā)送的信號，圖7D圖示了信號SPAD2’ ；圖7E圖示了信號UP-2，圖7F圖示了信號D0WN-2。
[0085]在時刻t0，信號PULSE從低態(tài)切換成高態(tài)。這里考慮信號PULSE和信號ADAPT-2之間的任意初始延遲為四分之一周期(D)。應注意，信號ADAPT-2的初始延遲可以為零、可以隨機產生或者可以設置為預定值。
[0086]在時刻tl，信號ADAPT-2從時刻t0移位持續(xù)時間D之后切換到高態(tài)。在時刻t2，二極管SPAD2生成與對象反射的光子的接收相關聯(lián)的脈沖。信號SPAD2由電路30_2重新成形以得到信號SPAD2’，該信號SPAD2’開始于時刻t2但在不同周期上具有相同的持續(xù)時間。
[0087]在信號SPAD2’處于高態(tài)的同時，信號ADAPT-2也處于高態(tài)，這使得在信號SPAD2’的脈沖的持續(xù)時間內信號UP-2切換到高態(tài)。如箭頭所示，信號UP-2切換到高態(tài)，增加了下一周期處信號PULSE與信號ADAPT-2之間的相移。
[0088]在下一循環(huán)期間，二極管SPAD2在時刻t3發(fā)出脈沖。在所示示例中，在信號ADAPT-2為低態(tài)時，電路30-2重新成形的脈沖的第一半(SPAD2’)出現(xiàn)，并且在信號ADAPT-2處于高態(tài)時該脈沖的第二半出現(xiàn)。這使得信號D0WN-2和信號UP-2連續(xù)切換到高態(tài)。電流源IUP-2和ID0WN-2因而交替激活。由于這兩個電流源的電流注入相互抵消，所以信號PULSE和ADAPT-2之間的相移在第三周期期間不變化。
[0089]如圖7A至圖7F的時序圖所示，這里在上面描述的方法執(zhí)行大量循環(huán)。信號ADAPT-2和PULSE之間的相移的調整通過低幅度階段實現(xiàn)，這可以使得將在遠離二極管SPAD2的最大功率接收點處出現(xiàn)的脈沖的影響最小化。
[0090]圖4的電路因而可以在大量調整循環(huán)之后得到信號ADAPT-1和信號ADAPT-2，該信號ADAPT-1與信號PULSE相位偏移，并且具有與二極管SPADl上出現(xiàn)脈沖的平均時間一致的周期的開始，該信號ADAPT-2與信號PULSE相位偏移，并且具有與二極管SPAD2上出現(xiàn)脈沖的平均時間一致的周期的開始。以下將使用“ADLL”(模擬延遲鎖定環(huán))來指代移相器32、門34和36、電流源IUP和ID0WN、電容器C形成的環(huán)路，提供信號ADAPT。
[0091]有利地，兩個ADLL的使用可以避免由于在驅動光源時固有的延遲而在生成器10的信號與傳感器SPAD2的信號之間可能出現(xiàn)的相移。此外，在大量適應循環(huán)之后得到信號ADAPT-1和ADAPT-2可以限制器件對生成器發(fā)出的光的波形的靈敏度。
[0092]這里提供的方法針對每次距離確定提供兩個相位。第一個相位包括得到周期性相移信號ADAPT-1和ADAPT-2，如這里在上面通過兩個ADLL的方式描述的那樣。作為示例，可以在十萬和一千萬之間變化的循環(huán)數(shù)量期間執(zhí)行調整。在一些實施例中，如果目的在于得到在Ims和IOms之間的延遲范圍內的適當調整，則若信號PULSE具有一納秒量級的周期，則可以在大約一百萬個循環(huán)期間執(zhí)行調整。第二個相位包括阻止對具有不再變化的相移的信號ADAPT-1和ADAPT-2的相位調整和工作，并且確定該相移的持續(xù)時間。然而，該相移的測量并不是即時的。實際上，由于期望探測的短距離，該相移可能非常小。這就會需要提供器件，該器件基于信號ADAPT-1和ADAPT-2提供距離信息。
[0093]可以提供這里在上面描述的方法和器件的許多變型?？梢蕴峁┰谙嘁普{整之前的如下步驟，在該步驟期間將跨電容器C-1和C-2的電壓初始化為預定值，例如，其最大值的一半。這可以實現(xiàn)朝向信號ADAPT-1和ADAPT-2的適當相移的更快調整。如果已知關于距離的信息，則也可以提供用于將跨電容器C-1和C-2的電壓設置成不同值。例如，可以通過比較器的方式來執(zhí)行跨電容器的電壓的初始調整，該比較器接收輸入上的信號ADAPT-1和ADAPT-2以及另一輸入上的參考電壓，該比較器的輸出激活電流源IUP-1、IUP-2、IDOffN-1或 ID0WN-2。
[0094]也可以提供在相移調整之前的如下步驟，在該步驟期間，在電壓ADAPT-1和ADAPT-2之間測量空閑狀態(tài)(即沒有光波接收情況下)的相移。根據需要，該相移然后將從測量中減去。
[0095]圖11圖示了示出使用一種方法來確定信號ADAPT-1和ADAPT-2之間的相移的持續(xù)時間并且因而確定離對象16的距離的器件。圖11的電路示意性地示出圖4的電路元件:兩個模塊ADLL-1和ADLL-2分別對應于模塊8_1和8_2。
[0096]圖11的電路包括接收時鐘信號CLK的主輸入。電路的、接收時鐘信號CLK作為輸入的第一分支包括:第一鎖相環(huán)PLLl和用于通過因子N分頻的電路。鎖相環(huán)PLLl通過因子nPLLl增加輸出信號的頻率，并且分頻電路將該頻率劃分以得到比二極管SPAD的最大雪崩觸發(fā)頻率更低的頻率。
[0097]分頻器N的輸出信號對應于用于電路ADLLl和ADLL2的圖4的電路的信號TOLSE。信號ADAPT-1和ADAPT-2 —旦調整和設置就耦合到AND門50的輸入(COMP)，信號ADAPT-1耦合到非反向輸入，信號ADAPT-2耦合到反向輸入。因而門50的輸出處的信號SD在對應于信號ADAPT-1和ADAPT-2之間的(設置)相移的持續(xù)時間內的每個周期期間處于高態(tài)。
[0098]為了得到關于信號SD的高態(tài)的持續(xù)時間的信息，計數(shù)器在計數(shù)之后提供作為該持續(xù)時間的映像的數(shù)目。該計數(shù)器在信號SD的若干連續(xù)周期期間操作。為了形成該計數(shù)器，時鐘輸入CLK耦合到第二鎖相環(huán)PPL2的輸入，該第二鎖相環(huán)PPL2具有倍頻系數(shù)nPLL2，該倍頻系數(shù)nPPL2不同于但可以接近于鎖相環(huán)PLLl的倍頻系數(shù)nPLLl。作為示例，如果時鐘信號CLK具有若干MHz量級上的頻率，則鎖相環(huán)PLLl和PLL2可以具有諸如65和66之類的倍頻系數(shù)。當然可以使用其它值。
[0099]鎖相環(huán)PLL2的輸出信號耦合到系數(shù)為M的分頻電路，分頻器M的輸出信號限定計數(shù)器在重置之前操作的周期。計數(shù)周期應足以得到計數(shù)器輸出處的可靠信息。計數(shù)周期應至少對應于環(huán)PLLl和PLL2的輸出信號的周期之間的最小公倍數(shù)。
[0100]鎖相環(huán)PLL2的輸出耦合到兩個D觸發(fā)器52和54的控制輸入(在上升沿上)。分頻器M的輸出I禹合到第一 D觸發(fā)器52的主輸入,觸發(fā)器52的Q輸出I禹合到觸發(fā)器54的主輸入。
[0101]三輸入AND門56在其輸入上接收信號SD、觸發(fā)器52的輸出以及觸發(fā)器54的輸出。門56的輸出形成計數(shù)器C0UNT58的激活信號。計數(shù)器58在鎖相環(huán)PLL2的輸出信號的上升沿上同步。兩輸入AND門60在非反向輸入上接收觸發(fā)器54的輸出并且在反向輸入上接收觸發(fā)器52的輸出，門60的輸出形成用于重置(RST)計數(shù)器58的信號。
[0102]計數(shù)器58操作如下。在鎖相環(huán)PLL2的輸出信號的每個上升沿上，如果門56的輸出處于高態(tài)，即，如果信號SD處于高態(tài)并且處于計數(shù)階段(分頻器M的輸出信號處于高態(tài))，則計數(shù)器遞增。由于鎖相環(huán)PLLl和PLL2的輸出信號的頻率差，計數(shù)器在計數(shù)循環(huán)中僅遞增少量次數(shù)，如將在圖8A至圖8E、圖9A至圖9E以及圖1OA至圖1OF的時序圖所見的那樣。存儲在計數(shù)器的計數(shù)循環(huán)最后的數(shù)目可以與信號SD的高態(tài)的持續(xù)時間相關聯(lián)，并且因而與離對象的距離相關聯(lián)。
[0103]圖8A至圖8E、圖9A至圖9E以及圖1OA至圖1OF是圖示了圖11的器件的操作的時序圖。
[0104]更具體而言，圖8A至圖8E的時序圖圖示了全計數(shù)循環(huán)，圖9A至圖9E是圖8A至圖8E在計數(shù)器58的若干遞增期間的放大(部分A)，以及圖1OA至圖1OF圖示了計數(shù)器58的遞增的細節(jié)(圖9A至圖9E的部分B)。
[0105]圖8A至圖8E、圖9A至圖9E以及圖1OA至圖1OE的時序圖分別圖示了信號ADAPT-1、信號ADAPT-2、信號SD、分頻器M的輸出信號以及計數(shù)器58的輸出。圖1OF的時序圖進一步圖示了環(huán)PLL2的輸出信號。
[0106]如在這些不同時序圖中可見的那樣，計數(shù)器在環(huán)PLL2的輸出信號的M個周期之后重置。圖1OA至圖1OF的放大示出了信號SD上的兩個脈沖，一個暗示著計數(shù)器的遞增，另一個暗示著沒有遞增。
[0107]在時刻Tl，信號SD上的脈沖出現(xiàn)，但在該脈沖期間沒有出現(xiàn)鎖相環(huán)PLL2的輸出信號的上升沿，這并不修改計數(shù)器狀態(tài)。在時刻T2，信號SD上的第二脈沖出現(xiàn)，并且在該脈沖期間鎖相環(huán)PLL2的輸出信號的上升沿出現(xiàn)，這使得計數(shù)器遞增。
[0108]由于環(huán)PLLl和PLL2的輸出信號之間的頻率差，在計數(shù)持續(xù)時間期間，環(huán)PLL2的輸出信號的上升沿出現(xiàn)在信號SD的周期的不同時刻處。因而，在計數(shù)循環(huán)上，脈沖在信號SD上的持續(xù)時間越長，計數(shù)器遞增得越多。因而，在每個計數(shù)循環(huán)最后時的計數(shù)器58上的值通過模塊62 (距離)的方式提供離對象的距離的非常精確的值，該模塊62用于讀取在循環(huán)最后時計數(shù)器上的值。圖11的器件通過使用在合理頻率的時鐘信號用于集成電路的實現(xiàn)，例如小于1GHz，可以得到非常精細的時間準確度。
[0109]應注意，針對離對象的同一距離，可以提供若干計數(shù)循環(huán)，在這種情況下然后可以計算平均值來確定更準確的離對象的可能距離。
[0110]在一些實施例中，關于分頻器N的輸出信號的周期的開始，信號SD可以偏移環(huán)PLLl的輸出信號的若干周期，以確保計數(shù)器對所有切換至信號SD的高態(tài)進行有效地計數(shù)。脈沖在信號SD上的持續(xù)時間也可以人工增加，以更好地讀取該信號的通態(tài)持續(xù)時間，在計數(shù)循環(huán)最后時存儲在計數(shù)器上的值相應地得到適配。
[0111]已經描述了具體實施例。本領域技術人員將容易想到各種變更、修改和改進。具體地，實施例并不限于ADLL耦合到SPAD的關聯(lián)以及耦合到諸如圖11中那樣的用于確定通態(tài)持續(xù)時間的系統(tǒng)的關聯(lián)。實際上，上述ADLL例如可以耦合到除了 SPAD外的其它類型的光傳感器，其中源自這些傳感器的信號是在接收到光脈沖時出現(xiàn)的事件的形式。例如，可以使用快速電荷轉移光電二極管，其備選地在循環(huán)期間將光生電荷轉移到兩個讀取節(jié)點上。每個循環(huán)中的每個節(jié)點上的電荷量提高關于離對象的距離的信息。
[0112]在這種二極管的情況下，呈現(xiàn)認為實現(xiàn)這里所述方法的可探測事件的信號將源自每個讀取節(jié)點上的信號，所述事件的發(fā)生時間與每個節(jié)點上的光量相關聯(lián)?？梢蕴峁┍慌渲脼閺膬蓚€讀取節(jié)點上的信號生成這些事件的電路裝置。
[0113]在一些實施例中，為了確定作為由ADLL輸出的兩個信號之間的相移的映像的信號的持續(xù)時間，可以使用除了結合圖11所述器件外的其它器件。
[0114]應理解到，在一些實施例中，可以使用不同類型的PLL。
[0115]在一些實施例中，可以省略DLL，并且可選地，可由任何其它合適電路裝置替換。
[0116]如圖12所示，針對每個陣列提供OR樹。OR樹功能在于允許相應相位成形器的輸出繼而被輸出給相應DLL。OR樹可以視為功能上等同于單個OR門，其具有與每個脈沖成形電路裝置分開的輸入。在這種布局的情況下，同一 DLL電路裝置可以由脈沖成形電路裝置中的兩個或多個或全部使用。在一些實施例中，可以針對每個脈沖成型器提供分開的DLL電路裝置。應理解到，可以控制參考陣列和測量陣列的輸出，使得在測量陣列I和參考陣列2的對應輸出之間存在對應關系。換言之，測量陣列的每個SPAD具有參考陣列中相應的對應 SPAD。
[0117]代替SPAD，一些實施例可以使用其它傳感器。這些傳感器可以是集成元件、快速電荷轉移光電二極管或在接收到光信息時產生事件的任意其它合適器件。
[0118]應理解到，上述布局可以至少部分地通過集成電路、芯片組、封裝在一起或在不同封裝體中的一個或多個裸片、分立電路或這些選項的任意組合來實現(xiàn)。
[0119]應理解到，已經描述了一些實施例在范圍器件中的應用。然而，應理解到，這僅是一些實施例的應用的一個示例。其它實施例可以用于SPAD或SPAD陣列或者任意其它合適光敏器件或光敏器件陣列的任意其它應用中。
[0120]應理解到，所示DLL布局僅作為示例，并且可以由任意其它合適DLL布局替換。[0121]應理解到，一個或多個DLL可以由用于提供諸如計數(shù)速率的測量的任意其它合適電路裝置來替換。例如，在一些實施例中可以使用基于計數(shù)器的結構或Σ -Δ轉換器。
[0122]一些實施例可以提供在諸如圖14所示的設備400中。設備400可以包括前述并且標記為402的SPAD或類似布局中的任意一種?？梢詫碜許PAD布局的輸出提供給處理器404?；谔幚砥魈峁┑妮敵觯梢暂敵鲂畔⒒蚩刂菩盘柦o功能模塊406。該功能模塊可以是控制器，該控制器被配置為響應于探測到對象的存在而引起一個或多個動作。該功能模塊可以是顯示器，該顯示器被配置為顯示測試結果。
[0123]應理解到，該設備可以是任意合適設備。僅作為示例且不進行任何限制，該設備可以是移動電話、智能電話、平板電腦、計算機、測量設備、諸如用于燈、控制諸如在水龍頭或廁所中的供水的開關控制器、門控制器、距離傳感器、碰撞控制器或任意其它合適設備。
[0124]這里在上面描述了具有不同變型的各種實施例。應注意到，本領域技術人員可以組合這些各種實施例和變型中的各種元件。
[0125]這種變更、修改和改進旨在于作為本公開的一部分，并且涵蓋于本發(fā)明的范圍內。相應地，前面的描述僅作為示例，并不旨在于進行限制。本發(fā)明僅受所附權利要求及其等同方案的限定。
【權利要求】
1.一種裝置，包括: 至少一個光敏器件，所述光敏器件或所述光敏器件中的每一個被提供有電壓；以及控制器，被配置用于控制電壓源，所述控制器被配置用于使得所述電壓源在校準模式中向所述光敏器件或所述光敏器件中的每一個施加至少一個校準電壓，以確定在正常操作模式中將由所述電壓源提供的電壓。
2.根據權利要求1所述的裝置，其中所述控制器被配置用于以規(guī)則間隔使得所述裝置處于所述校準模式中。
3.根據權利要求1所述的裝置，其中所述控制器被配置用于響應于滿足一個或多個條件來使得所述裝置處于所述校準模式中。
4.根據任一前述權利要求所述的裝置，其中所述控制器被配置用于控制所述電壓源以在至少一個相繼的校準電壓之后施加第一校準電壓，所述相繼的校準電壓或每個相繼的校準電壓降低。
5.根據任一前述權利要求所述的裝置，其中所述控制器被配置用于控制所述電壓源以在至少一個相繼的校準電壓之后施加第一校準電壓，所述相繼的校準電壓或每個相繼的校準電壓增加。
6.根據權利要求4或5所述的裝置，其中所述第一校準電壓被選擇為所述光敏器件或每個光敏器件的擊穿電壓之下的電壓和使得所述光敏器件或每個光敏器件處于擊穿狀態(tài)的電壓中的一個。
7.根據權利要求4、 5或6中的任一個所述的裝置，其中施加所述相繼的校準電壓直到所述光敏器件或每個光敏器件在正常操作模式中根據需要操作。
8.根據任一前述權利要求所述的裝置，其中對校準電壓施加偏移，所述偏移被確定為允許所述光敏器件或每個光敏器件在正常操作模式中操作。
9.根據任一前述權利要求所述的裝置，包括光源，所述光源由所述控制器控制并且被配置為在所述校準模式中激活。
10.根據任一前述權利要求所述的裝置，其中所述光敏器件或每個光敏器件被配置為當所述裝置處于校準模式時被遮蔽以免受所述光源以外的光。
11.根據任一前述權利要求所述的裝置，進一步包括附加的至少一個光敏器件，所述光敏器件或每個光敏器件在所述校準模式中使用并且所述附加的光敏器件或每個光敏器件在所述正常操作模式中使用，所述確定的電壓在所述正常操作模式中施加到所述附加的光敏器件或每個光敏器件。
12.根據任一前述權利要求所述的裝置，其中所述光敏器件或每個光敏器件包括單光子雪崩二極管。
13.根據任一前述權利要求所述的裝置，包括所述電壓源，其中所述電壓源包括電荷栗。
14.根據任一前述權利要求所述的裝置，包括計數(shù)電路裝置，被配置用于對所述光敏器件或每個光敏器件中的至少一個的激活提供計數(shù)，所述計數(shù)電路裝置向所述控制器提供計數(shù)信息。
15.一種集成電路，包括根據任一前述權利要求所述的裝置。
16.—種方法,包括:控制電壓源以在校準模式中向至少一個光敏器件施加至少一個校準電壓，從而確定在正常操作模式中將由所述電壓源提供的電壓。
17.根據權利要求16所述的方法，包括以規(guī)則間隔執(zhí)行所述校準模式。
18.根據權利要求16所述的方法，包括響應于滿足一個或多個條件來執(zhí)行所述校準模式。
19.根據權利要求16至18中的任一個所述的方法，包括控制所述電壓源以在至少一個相繼的校準電壓之后施加第一校準電壓，所述相繼的校準電壓或每個相繼的校準電壓降低。
20.根據權利要求16至19中的任一個所述的方法，包括控制所述電壓源以在至少一個相繼的校準電壓之后施加第一校準電壓，所述相繼的校準電壓或每個相繼的校準電壓增加。
21.根據權利要求19或20所述的方法，其中所述第一校準電壓是所述光敏器件或每個光敏器件的擊穿電壓之下的電壓和使得所述光敏器件或每個光敏器件處于擊穿狀態(tài)的電壓中的一個。
22.根據權利要求19、20或21所述的方法，包括施加相繼的校準電壓直到所述光敏器件或每個光敏器件在正常操作模式中根據需要操作。
23.根 據權利要求16至22中的任一個所述的方法，包括對校準電壓施加偏移，所述偏移被確定為允許所述光敏器件或每個光敏器件在正常操作模式中操作。
24.根據權利要求16至23中的任一個所述的方法，包括控制光源在所述校準模式中激活。
25.根據權利要求16至24中的任一個所述的方法，其中所述光敏器件或每個光敏器件包括單光子雪崩二極管。
26.根據權利要求16至25中的任一個所述的方法，其中所述電壓源包括電荷泵。
27.根據權利要求16至26中的任一個所述的方法，包括對所述光敏器件或每個光敏器件中的至少一個的激活進行計數(shù)并且向所述控制器提供計數(shù)信息。
28.一種設備，包括權利要求1至14中任一個所述的裝置或權利要求15所述的集成電路。
【文檔編號】G01J11/00GK103994829SQ201410043497
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年1月28日 優(yōu)先權日:2013年2月18日
【發(fā)明者】B·雷, J·K·穆爾 申請人:意法半導體(R&D)有限公司