近年來，具有單光子檢測(cè)能力的單光子雪崩二極管（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(cè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。SPAD探測(cè)器作為一種新型非線性器件，制作工藝復(fù)雜。而且SPAD陣列的各類應(yīng)用需要檢測(cè)傳感信號(hào)的讀出電路（ROIC）與之配套，以實(shí)現(xiàn)SPAD探測(cè)器雪崩信號(hào)的提取和處理。

各類應(yīng)用對(duì)陣列規(guī)模、探測(cè)器信號(hào)的提取和處理能力的要求也越來越高。同時(shí)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，單光子紅外探測(cè)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(hào)檢測(cè)與處理能力的專用集成電路的研發(fā)。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，東南大學(xué)集成電路學(xué)院的科研團(tuán)隊(duì)在《紅外與激光工程》期刊上發(fā)表了以“SPAD陣列讀出電路關(guān)鍵技術(shù)與發(fā)展趨勢(shì)（特邀）”為主題的文章。該文章第一作者為鄭麗霞副教授，主要從事數(shù)模混合集成電路方面的研究工作。通訊作者為孫偉鋒教授，主要從事智能功率器件及可靠性、智能功率集成電路與系統(tǒng)、數(shù)模混合集成電路方面的研究工作。

文中首先針對(duì)SPAD陣列讀出電路的特點(diǎn)，將電路主要分成接口電路與信號(hào)處理電路兩大部分，其次根據(jù)單光子雪崩光電探測(cè)器的陣列的不同應(yīng)用場(chǎng)景，闡述了集成讀出電路中核心電路模塊設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)。分別從SPAD的接口電路設(shè)計(jì)、兩種典型應(yīng)用成像模式（光子計(jì)時(shí)、光子計(jì)數(shù)）中核心電路的設(shè)計(jì)方面，詳細(xì)分析此類電路的關(guān)鍵技術(shù)以及國(guó)內(nèi)外研究團(tuán)隊(duì)在此類電路的研究進(jìn)展與存在的問題。最后根據(jù)目前國(guó)內(nèi)外研究的進(jìn)展情況，分析了SPAD陣列集成讀出電路的發(fā)展趨勢(shì)以及各類電路存在的設(shè)計(jì)重點(diǎn)與難點(diǎn)，為SPAD陣列讀出電路的設(shè)計(jì)提供一些參考。

SPAD陣列接口電路技術(shù)

SPAD正常工作時(shí)主要有待測(cè)、雪崩、截止三種狀態(tài)。處于雪崩狀態(tài)時(shí)，SPAD會(huì)產(chǎn)生能夠自維持的雪崩電流，需要采用相應(yīng)的電流抑制措施使得雪崩過程及時(shí)停止，否則器件將造成不可逆的損壞。因此，雪崩淬滅電路被提出用來解決上述問題。淬滅電路屬于動(dòng)態(tài)偏置電路，能夠通過切換反偏電壓來控制SPAD的工作狀態(tài)和工作模式，即雪崩倍增效應(yīng)發(fā)生之后，SPAD兩端電壓會(huì)降低使得SPAD快速恢復(fù)到初始狀態(tài)，為探測(cè)下一個(gè)光子做準(zhǔn)備。

根據(jù)反偏電壓受控方式的不同，淬滅方式主要分為被動(dòng)淬滅、主動(dòng)淬滅以及主、被動(dòng)混和淬滅三類，三種方式在電路復(fù)雜程度、淬滅和復(fù)位時(shí)間、檢測(cè)準(zhǔn)確率等方面各有優(yōu)劣。

被動(dòng)淬滅電路的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1（a）所示，主要通過與SPAD串聯(lián)的大電阻實(shí)現(xiàn)淬滅功能，此方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是感應(yīng)電阻會(huì)產(chǎn)生較大的面積消耗，且感應(yīng)電阻與寄生電容共同形成的RC時(shí)間常數(shù)較大，會(huì)導(dǎo)致SPAD的恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)。該方式一般應(yīng)用于單個(gè)探測(cè)器或?qū)z測(cè)速度要求不高的場(chǎng)景。

圖1 （a）被動(dòng)淬滅電路，（b）主動(dòng)淬滅電路

主動(dòng)淬滅電路的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1（b）所示，在被動(dòng)淬滅電路的基礎(chǔ)上增加了反饋回路和控制開關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)雪崩電流的主動(dòng)淬滅。該方式電路結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，但是復(fù)位時(shí)間明顯降低，有效減小了死區(qū)時(shí)間，提高了最高工作頻率。

在SPAD陣列的實(shí)際應(yīng)用中，要求接口電路能快速提取雪崩信號(hào)并進(jìn)行淬滅。但是由于像素電路的面積和功耗有限，所以主動(dòng)淬滅電路的具體實(shí)現(xiàn)有多種方式。可以采用電阻或電容感應(yīng)雪崩電流，其中電阻或電容的取值大小仍是關(guān)鍵，需要兼顧電路的速度、功耗和面積。其次檢測(cè)閾值的選取也比較關(guān)鍵，閾值的選取與探測(cè)器的暗電流、雪崩電流相關(guān)。該參數(shù)可以通過電路建模計(jì)算與仿真擇優(yōu)選擇，從而實(shí)現(xiàn)較高的信噪比。

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(duì)SPAD接口電路也有了更高的要求和更深入的研究。

為了解決SPAD擊穿電壓不一致的問題，許多接口電路具備了區(qū)域級(jí)或像素級(jí)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，位于像素外部，而像素內(nèi)部則采用主動(dòng)淬滅方式，工作原理如下：根據(jù)每個(gè)SPAD探測(cè)器的擊穿電壓，確定每個(gè)數(shù)據(jù)選擇器的輸入信號(hào)。將一連串的預(yù)設(shè)置的輸入信號(hào)DIN通過移位寄存器傳輸給每個(gè)數(shù)據(jù)選擇器并鎖存，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)，調(diào)節(jié)之后，陣列的暗計(jì)數(shù)一致性得到明顯改善。

圖2 偏壓調(diào)節(jié)電路架構(gòu)圖

在光子計(jì)數(shù)應(yīng)用中，探測(cè)器工作于自由探測(cè)模式，根據(jù)探測(cè)器特性及應(yīng)用場(chǎng)景靈活設(shè)置死區(qū)時(shí)間，可以在滿足較高探測(cè)效率的前提下減少電路的后脈沖及暗計(jì)數(shù)。2019年，西南技術(shù)物理研究所的團(tuán)隊(duì)提出了一種鐘控死區(qū)時(shí)間可調(diào)架構(gòu)，電路架構(gòu)如圖3所示。該架構(gòu)引入了時(shí)鐘信號(hào)，在雪崩信號(hào)的觸發(fā)下，驅(qū)動(dòng)判別模塊進(jìn)行時(shí)鐘周期的計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)碼與調(diào)節(jié)碼一致時(shí)，觸發(fā)復(fù)位脈沖的產(chǎn)生，因此調(diào)節(jié)輸入時(shí)鐘的周期即可控制死區(qū)時(shí)間調(diào)節(jié)分辨率及最小死區(qū)時(shí)間。

圖3 鐘控死區(qū)時(shí)間可調(diào)架構(gòu)

此外，一般SPAD使用的電壓均為10 V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5 V以內(nèi)，而高壓管非常占用面積，無法在像素集成，目前有一些研究團(tuán)隊(duì)提出了一些電路結(jié)構(gòu)，但在陣列應(yīng)用中目前尚無較好的解決方案。

SPAD接口電路需要具有雪崩信號(hào)提取和淬滅功能，并根據(jù)應(yīng)用需求有像素級(jí)SPAD反偏電壓調(diào)節(jié)和死區(qū)時(shí)間調(diào)節(jié)、自恢復(fù)等額外功能。在緊湊的像素面積條件限制下實(shí)現(xiàn)雪崩信號(hào)的快速淬滅、提取以及各類功能是當(dāng)前SPAD接口電路面臨的主要問題。

基于光子飛行時(shí)間測(cè)量的讀出電路技術(shù)

典型的基于光子飛行時(shí)間（TOF）的成像系統(tǒng)架構(gòu)如圖4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(cè)量前的電路復(fù)位，系統(tǒng)處于待測(cè)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（TDC）開始計(jì)時(shí)。直到像素的探測(cè)器檢測(cè)到反射的光子，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。

圖4 基于SPAD陣列的TOF成像系統(tǒng)

TDC直接將時(shí)間模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，同樣需要具有高精度和高轉(zhuǎn)換速度的性能。而利用時(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1 ps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50 μm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。

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(duì)于寬動(dòng)態(tài)范圍的量化場(chǎng)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（LSB）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。

光子計(jì)時(shí)讀出電路的主要性能指標(biāo)為陣列規(guī)模、像素面積、時(shí)間分辨率、計(jì)時(shí)量程、幀頻。其中時(shí)間分辨率是關(guān)鍵指標(biāo)，陣列時(shí)間-數(shù)字轉(zhuǎn)換電路受像素面積的嚴(yán)格限制，不能采用復(fù)雜電路結(jié)構(gòu)，因此是一個(gè)較難實(shí)現(xiàn)的技術(shù)。同時(shí)時(shí)間分辨率與計(jì)時(shí)量程也是一個(gè)折中的關(guān)系，在像素面積和功耗的嚴(yán)格限制下，需要根據(jù)應(yīng)用需求，選擇到底是要看的遠(yuǎn)，還是要看的更清的問題。表1從工藝、像素規(guī)模、像元中心距、時(shí)間分辨率、計(jì)時(shí)量程、幀率和系統(tǒng)功耗對(duì)比了當(dāng)前先進(jìn)的光子計(jì)時(shí)讀出電路的研究情況。

表1 光子計(jì)時(shí)讀出電路的性能對(duì)比

其次隨著陣列規(guī)模的增大，TDC的功耗成為制約ROIC規(guī)模擴(kuò)大的主要因素。瑞士洛桑理工學(xué)院是較早實(shí)現(xiàn)大面陣讀出電路的研究機(jī)構(gòu)之一，2008年，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)97 ps，系統(tǒng)架構(gòu)如圖5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，面積較為寬裕，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5 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)間放大等方法改善時(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(cè)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(cè)一個(gè)返回光子，因此TDC共享技術(shù)主要適用于成像幀頻要求不高、光子稀疏的特定應(yīng)用場(chǎng)合。

基于光子計(jì)數(shù)的讀出電路技術(shù)

與基于TOF測(cè)量的ROIC不同，基于光子計(jì)數(shù)的ROIC在一個(gè)曝光時(shí)間內(nèi)可以對(duì)光子到達(dá)信號(hào)進(jìn)行多次檢測(cè)。單位曝光時(shí)間內(nèi)檢測(cè)到的光子數(shù)量對(duì)應(yīng)了不同的目標(biāo)灰度信息，因此該類電路主要用于灰度成像。

光子計(jì)數(shù)讀出電路的基本性能指標(biāo)為陣列規(guī)模，像素面積、計(jì)數(shù)動(dòng)態(tài)范圍。像素面積越小，分辨率越高，成像質(zhì)量越好。計(jì)數(shù)動(dòng)態(tài)范圍則是指一幀曝光內(nèi)能檢測(cè)到的光子個(gè)數(shù)的范圍，動(dòng)態(tài)范圍受像素面積的限制。表2為光子計(jì)數(shù)讀出電路的主要研究進(jìn)展。

表2 光子計(jì)數(shù)讀出電路研究進(jìn)展情況

2015年，林肯實(shí)驗(yàn)室提出了一種基于硅蓋革模式雪崩光電二極管（GM-APD）的256×256光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)將一種硅GM-APD陣列與數(shù)字CMOS計(jì)數(shù)芯片混合集成，其單像素結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示，由APD探測(cè)器、APD接口電路、APD狀態(tài)鎖存器和7 bit計(jì)數(shù)器構(gòu)成。像素中心距為25 μm，所有探測(cè)器的陽極被統(tǒng)一施加偏置電壓，通過全局同步的脈沖信號(hào)來調(diào)控APD探測(cè)器的工作狀態(tài)。

圖6 256×256光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)的單像素結(jié)構(gòu)框圖

由于每個(gè)像素接受到的光子個(gè)數(shù)不同，因此，每個(gè)像素都具有光子計(jì)數(shù)功能，可以對(duì)雪崩信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)。理論上探測(cè)器在檢測(cè)到光子并雪崩淬滅后，應(yīng)立即復(fù)位以便準(zhǔn)備下一次檢測(cè)。但是，受探測(cè)器性能的限制，即連續(xù)工作會(huì)導(dǎo)致探測(cè)器的后脈沖發(fā)生率和暗計(jì)數(shù)率較高，所以還要加入探測(cè)器死區(qū)時(shí)間調(diào)節(jié)電路。死區(qū)時(shí)間的選取和確定需要綜合多種因素，包括光子密度分布、光子探測(cè)率、精度、曝光時(shí)間、最大計(jì)數(shù)率等等，從而在不同光強(qiáng)條件下均能實(shí)現(xiàn)高精度的光子計(jì)數(shù)及數(shù)據(jù)讀出。因此，在該類電路中，死區(qū)時(shí)間的調(diào)節(jié)方法是一個(gè)較為關(guān)鍵的技術(shù)。

2019年，東南大學(xué)提出一種光子時(shí)間自適應(yīng)調(diào)節(jié)的讀出電路結(jié)構(gòu)，在電路系統(tǒng)中設(shè)置了判斷電路，將一幀內(nèi)檢測(cè)到的光子個(gè)數(shù)與最佳死區(qū)時(shí)間存儲(chǔ)于電路內(nèi)，在實(shí)時(shí)檢測(cè)光子過程中，對(duì)光子個(gè)數(shù)進(jìn)行判斷并與芯片內(nèi)存儲(chǔ)的死區(qū)時(shí)間進(jìn)行對(duì)比，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)SPAD的死區(qū)時(shí)間，達(dá)到了最優(yōu)的探測(cè)率。

光子計(jì)時(shí)是通過TDC對(duì)光子的飛行時(shí)間直接測(cè)量，在有限像素面積下，TDC精度和量程受到制約，且隨著陣列規(guī)模擴(kuò)大，TDC功耗會(huì)成倍增加。目前主流的解決方法是TDC共享，多個(gè)像素共享同一個(gè)TDC，節(jié)省了面積和功耗，但也帶來了檢測(cè)效率下降、成像分辨率下降的問題。光子計(jì)數(shù)是在像素中內(nèi)置計(jì)數(shù)器，對(duì)探測(cè)到的光子計(jì)數(shù)。由于計(jì)數(shù)器不像TDC需要同時(shí)保證精度和量程，計(jì)數(shù)器所占的面積要遠(yuǎn)小于TDC，光子計(jì)數(shù)受到的像素面積的制約較小。但光子計(jì)數(shù)要求電路能夠自恢復(fù)SPAD，這面臨著后脈沖和暗計(jì)數(shù)問題，如何在保證探測(cè)效率的同時(shí)，最小化SPAD的后脈沖和暗計(jì)數(shù)是光子計(jì)數(shù)面臨的關(guān)鍵問題。

ROIC發(fā)展趨勢(shì)

傳統(tǒng)ROIC的主要功能包括雪崩電流的檢測(cè)與淬滅、光子飛行時(shí)間的測(cè)量或返回光子個(gè)數(shù)的計(jì)數(shù)、數(shù)據(jù)輸出。數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和處理一般在片外進(jìn)行。隨著陣列規(guī)模的擴(kuò)大、數(shù)據(jù)量的增加，ROIC的功能也變得更加豐富。近年來主要新出現(xiàn)了以下幾個(gè)趨勢(shì)：

（1）片上數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。一般ROIC的像素內(nèi)的寄存器是復(fù)位的，作為TDC將TOF進(jìn)行量化，同時(shí)將量化后的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)傳輸，因此在一幀成像中量化后的數(shù)據(jù)需要實(shí)時(shí)傳輸?shù)叫酒狻ｋS著陣列規(guī)模的增大，數(shù)據(jù)量急劇增加，但是由于數(shù)據(jù)傳輸速度和數(shù)據(jù)端口數(shù)量的限制，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸方案越來越成為限制成像幀頻提高的主要因素，片上存儲(chǔ)技術(shù)因此應(yīng)運(yùn)而生。此類ROIC一般將若干個(gè)TDC編為一組，每組共享一個(gè)片上存儲(chǔ)單元。當(dāng)像素檢測(cè)到光子觸發(fā)信號(hào)后，TDC會(huì)將量化后的數(shù)據(jù)緩存至片上存儲(chǔ)單元，不再占用像素內(nèi)的寄存器，將數(shù)據(jù)量化與傳輸進(jìn)行分離。片上數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)極大地減小了數(shù)據(jù)讀出時(shí)間對(duì)系統(tǒng)幀頻的限制，使系統(tǒng)能夠達(dá)到很高的幀頻。然而該技術(shù)需要在電路中設(shè)計(jì)相應(yīng)的靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（SRAM）。還需要解決如何對(duì)像素陣列空間進(jìn)行仲裁、尋址，如何將TDC中的數(shù)據(jù)寫入存儲(chǔ)單元、再有序讀出等問題，數(shù)字時(shí)序復(fù)雜，需要相關(guān)電路的精密配合。

（2）返回光子事件多回波探測(cè)。由于傳統(tǒng)的基于TOF測(cè)量的成像系統(tǒng)在每一幀曝光時(shí)間內(nèi)，最多只檢測(cè)一次返回光子，并且暗計(jì)數(shù)和空氣中顆粒物等因素導(dǎo)致像素的虛假探測(cè)率較高，所以很容易出現(xiàn)像素在一幀內(nèi)發(fā)生了一次虛假檢測(cè)并停止繼續(xù)檢測(cè)的情況。ROIC檢測(cè)到的大量雪崩信號(hào)并不是目標(biāo)光子回波產(chǎn)生的，而是其他因素造成的虛假回波，這也是導(dǎo)致SPAD陣列的實(shí)際成像幀頻無法提升的主要因素之一。多回波探測(cè)技術(shù)使ROIC在一幀內(nèi)可以檢測(cè)兩次或以上的光子回波，并測(cè)量對(duì)應(yīng)的TOF。這就提高了每一幀檢測(cè)到目標(biāo)光子回波的概率，也便于利用目標(biāo)光子回波的時(shí)空相關(guān)性快速篩選出有效數(shù)據(jù)。多回波探測(cè)技術(shù)帶來的問題是寄存器數(shù)量倍增以及邏輯控制電路更加復(fù)雜，這在像素面積嚴(yán)格限制的ROIC電路中是一個(gè)需要折中取舍的問題，因此在實(shí)際應(yīng)用中，多回波檢測(cè)電路需要與像素共享或片上存儲(chǔ)等架構(gòu)一起使用，才能實(shí)現(xiàn)多次回波檢測(cè)。

（3）自由探測(cè)模式。迄今為止，門控模式能夠滿足三維激光雷達(dá)在內(nèi)的大部分應(yīng)用，但其固定時(shí)間間隔使能的操作方式也將SPAD探測(cè)器的曝光時(shí)間限制在了門控信號(hào)與激光信號(hào)同步的低占空比應(yīng)用中。為了將SPAD探測(cè)器應(yīng)用在連續(xù)光子事件探測(cè)場(chǎng)景中，工作在自由探測(cè)模式的SPAD陣列讀出電路近年被開發(fā)。自由探測(cè)模式中，各探測(cè)器工作于自由模式，相互獨(dú)立、不受統(tǒng)一的門控信號(hào)控制。探測(cè)器可以在待測(cè)、淬滅狀態(tài)之間自由切換，并為每次探測(cè)到的光子事件記錄時(shí)間戳。為保證探測(cè)的連續(xù)，所記錄的時(shí)間戳數(shù)據(jù)還需進(jìn)行實(shí)時(shí)讀出。自由探測(cè)模式的時(shí)序邏輯控制比門控模式更復(fù)雜，電路功耗和面積也更大。2017年，普林斯頓光波公司Merlin實(shí)驗(yàn)室研制了一款運(yùn)行在自由探測(cè)模式下的讀出電路，像素規(guī)模為32×32，采用蜂窩狀非常規(guī)像素布局，像元中心距為66 μm。自由探測(cè)模式讀出電路控制復(fù)雜，精度要求高，電路功耗較傳統(tǒng)門控模式大大提高，成為限制自由探測(cè)模式陣列擴(kuò)大的一個(gè)主要因素，因此，自由探測(cè)模式目前陣列規(guī)模較小，像素面積也較大。

結(jié)束語

縱觀國(guó)內(nèi)外SPAD陣列讀出電路的發(fā)展，電路的性能在提升，但是其提升速度遠(yuǎn)不及其他集成電路。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(duì)于普遍需要制冷的SPAD探測(cè)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)間分辨率精度要求的提升，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(cè)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)是大量的無效數(shù)據(jù)，需要多幀檢測(cè)進(jìn)行數(shù)量融合，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，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