电子装置及其操作方法

电子装置及其操作方法
【专利摘要】一种装置，包括：至少一个光敏器件，所述光敏器件或所述光敏器件中的每一个被提供有电压；以及控制器，被配置用于控制电压源，所述控制器被配置为使得所述电压源在校准模式中向所述光敏器件或所述光敏器件中的每一个施加至少一个校准电压，以确定在正常操作模式中将由所述电压源提供的电压。
【专利说明】电子装置及其操作方法
【技术领域】
[0001]本公开涉及方法和装置，并且具体地但不是排他性地涉及包括至少一个光敏器件的装置及其相关方法。
【背景技术】
[0002]单光子雪崩探测器(SPAD)基于在其击穿区域外偏置的p-n结器件。高反偏置电压生成足够大的电场，使得引入到p-n结器件的耗尽层中的单电荷载流子可以引起自维持雪崩。该电荷载流子可以通过光子的碰撞(碰撞电离)而释放。可以对SPAD进行淬灭，使得器件重置以探测其它光子。

【发明内容】

[0003]根据第一方面，提供有一种装置，该装置包括:至少一个光敏器件，所述光敏器件或所述光敏器件中的每一个被提供有电压；以及控制器，该控制器被配置用于控制电压源，所述控制器被配置用于使得所述电压源以校准模式向所述光敏器件或所述光敏器件中的每一个施加至少一个校准电压，以确定在正常操作模式下将由所述电压源提供的电压。
[0004]根据另一方面，提供有一种方法，该方法包括:控制电压源以在校准模式下向至少一个光敏器件施加至少一个校准电压，以确定在正常操作模式下将由电压源提供的电压。
【专利附图】

【附图说明】
[0005]现在将仅通过示例的方式参照附图，在附图中:
[0006]图1是具有淬灭和读出电路的一个SPAD的示图；
[0007]图2示出了一个实施例的示意图；
[0008]图3示出了一个实施例的方法；
[0009]图4不意性地不出了 SPAD偏置电压和操作条件；
[0010]图5和图6更详细地图示了图13的布局的操作；
[0011]图7A至图7F是图示了图13的布局的操作的时序图；
[0012]图8A至图8E、图9A至图9E以及图1OA至图1OF是图示了图11所示器件的操作的时序图；
[0013]图11图示了用于基于从图13的布局得到的信号计算离对象的距离的器件；
[0014]图12示出了一个实施例的框图；
[0015]图13更详细地图示了图12的实施例的部分；以及
[0016]图14不出了具有SPAD布局的一个器件。
【具体实施方式】
[0017]单光子雪崩二极管或“SPAD”也称为盖革模式雪崩光二极管GAPD。这些器件具有反偏置的p-n结,在其中由于碰撞电离机制,光生载流子可以触发雪崩电流。SPAD可以被设计成利用刚好在击穿电压之上的反偏置电压操作。
[0018]图1示意性地示出了单光子雪崩二极管(SPAD) 101。SPAD101具有反偏置的p_n结102。反偏置的p-n结102具有闻反偏置电压(_VBKEAKDQWN)。利用该反偏置电压,生成较闻电场，使得注入到耗尽层中的单电荷载流子经由碰撞电离触发自维持雪崩。换言之，碰撞在反偏置P-n结器件102上的光子释放单电荷，该单电荷触发链反应，该链反应释放导致大电流的大量电子。
[0019]为了重置器件102，对电流进行淬灭。在不进行淬灭的情况下，p-n结器件102会被永久地损坏。
[0020]已知不同种类的淬灭。例如，可以使用被动或主动淬灭。被动淬灭例如可以使用与SPAD串联的电阻器。随着跨电阻器的较高值电阻形成电压降，雪崩电流被有效地淬灭。备选地，可以使用主动淬灭。
[0021]图1示出了其中使用被动淬灭的示例。P型MOSFET (金属氧化物半导体场效应晶体管)100设置成与P-n结器件102串联，并且连接在更为正向的电压Vexcess与反偏置p_n结器件102之间。淬灭电压Vquench施加到M0SFET100的栅极。M0SFET100有效地用作较高电阻的电阻器。
[0022]在图1中可以示意性地看到在M0SFET100与p-η结器件102之间的节点106处的电压波形。初始地，节点106的输出处于较高电压。当光子碰撞在p-n器件102上时，这造成较大电流迅速地流动，这引起节点106上的电压迅速下降。随着施加淬灭电压，节点106处的电压向上回升到初始电压值。节点106处的电压波形被传递通过反相器104，从而给出具有低电平和高电平的方波，低电平表不在光子碰撞在p-n器件上之前和在淬灭之后的状态，高电平表示光子的碰撞。反相器104的输出可以提供给待处理的探测电路装置。例如，反相器104的输出可以输入到计数器，该计数器每当反相器的输出变高时就进行计数。
[0023]应理解到，图1所示的SPAD和淬灭布局仅作为示例，备选地可以使用其它结构。例如，可以使用主动淬灭。在实施例中可以使用其它被动淬灭布局。
[0024]在一些实施例中，可以使用正击穿电压。在该情况下，SPAD将连接到更为正向的电压，在SPAD与更为负向的电压之间具有淬灭布局。淬灭布局例如可以为N型晶体管。
[0025]应理解到，在一些实施例中可以省略反相器。附加地或备选地，可以使用任意合适的探测电路装置。
[0026]在一些实施例中，使用SPAD的阵列。然而,应理解到，一些实施例可以使用单个SPAD0
[0027]需要击穿电压将雪崩二极管放置在盖革操作区域中，并且使得p-n器件操作为SPAD。通过跨p-n器件的电压差，而不是反偏置p-n结器件的任一侧上的绝对电压值，来控制击芽电压。
[0028]二极管的击穿电压可以对以下因素中的一个或多个敏感:处理变化；SPAD设计；部件随时间的变化；以及温度变化。
[0029]在设置于芯片上、裸片上或作为芯片组中的一部分的SPAD中，提供给SPAD的该电压可以由位于同一芯片或裸片上或者位于芯片组的另一芯片或另一裸片(例如封装有具有SPAD的裸片)上的电压源提供。备选地，电压电源可以为外部电源。如果SPAD利用太低或太高的电压差(由电压电源控制)反偏置，则P-n器件将不操作为单光子敏感的雪崩二极管。
[0030]为了确保SPAD的考虑以上因素中的一个或多个的校正操作,应校准所使用的电压。在针对特定SPAD或该SPAD的使用确定最佳击穿电压时可以考虑各种不同的因素。例如，在一些情形中，可以将最佳偏置电压考虑为SPAD实现其最大计数速率或最佳时序性能的电压。备选地，在一些实施例中，可以将最佳电压考虑为操作区域的中央，这可以提供计数速率、时序性能和黑暗计数速率中的两个或更多之间的折衷。(SPAD可以对引发雪崩过程的热生载流子敏感。当SPAD处于完全黑暗时每秒的平均计数称为黑暗计数速率并且是在定义探测器噪声时使用的参数。黑暗计数速率的倒数限定SPAD在由不期望的热处理触发之前将保持偏置在击穿之上的平均时间。通常，SPAD设计成保持偏置在击穿之上足够长的时间，以便正确地作为单光子探测器工作。)
[0031]一些实施例可以允许单光子雪崩二极管在大范围的温度条件下操作和/或适应处理变化和/或设计变化。
[0032]在一些实施例中，可以相对频繁地实施击穿电压的重新校准。
[0033]应理解到，当首先使用器件和/或每当使用器件时，可以执行电压校准。在每当使用该器件时执行校准的情况下，可以在该器件的使用期间重复地实施校准。
[0034]SPAD设计的前述方案无法识别对调整偏置电压的需要。发明人意识到，例如随着温度条件变化，SPAD二极管的击穿电压会漂移。如果例如片上电压源提供的电压是固定的，则击穿电压对于SPAD在盖革模式下操作可能是不够的或者是太高的，并且具有前面所述的效应。
[0035]在一些实施例中，SPAD布局可能需要在大范围的温度条件下操作。在一些SPAD中，可能存在击穿电压大约每10摄氏度0.1V的变更。这可能是重要的，因为在一些情况下，SPAD的操作区域可能具有在最低可用电压和最高可用电压之间的1-2V的范围。
[0036]参照图2，图2示出了一个实施例。布局包括电压源4。该电压源可以提供例如Vexcess，如图1所示。该电压源可以是片上电压源。在电压源为片上电压源的情况下，该电压源可以为电荷泵。在一些实施例中，由于SPAD可能需要较高电压(与普通的芯片电压相比)。可以以任意合适的方式控制SPAD电压电源，例如通过可由来自芯片的输出控制的片上电荷泵、调节器或外部电源的方式。应理解到，在备选实施例中，电压源可以在芯片外部并且也可以采用任何合适格式。
[0037]电压源4被配置为控制施加给SPAD阵列2的电压。在一个实施例中，可以使用电
压源4来控制Vexcess,而-Vbreakdwn保持恒定。备选地，可以将Vexcess保持恒定并且可以通过电压源控制 "^BREAKDOWN ° 在一些实施例中，-V


BREAKDOWN 和 VeXCESS 可以变化。
[0038]在下面的示例中，电压源将控制Vekess。电压源4提供在SPAD阵列1/2的每个SPAD中使用的电压。每个SPAD可以如图1所示。每个SPAD的输出提供给数字计数器6。在一个实施例中，数字计数器6每当反相器104的输出变高时将进行计数，如图1所示。数字计数器6的输出输入到控制器8。控制器可以采用任何合适形式并且可以由硬件、软件和/或二者的组合来实现。在一些实施例中，控制器可以包括固件控制器。控制器8的输出用于提供对电压源4的输入。控制器8提供的输入控制电压源4提供的电压。
[0039] 控制器8被配置为使图2的布置置于校准模式。当布局处于校准模式时，由控制器8提供控制信号给光源驱动器9。光源驱动器9又将控制光源12，使其接通或断开。在器件是芯片等的一部分的情况下，光源可以处于同一封装体中或处于不同封装体中。
[0040]控制器被配置为使得电压源向阵列施加一个或更多个不同电压。
[0041 ] 在一些实施例中，控制器可以被配置为控制电压源通过多个输出电压值循环。与每个输出校准电压相关联的计数由控制器8存储。基于校准(即计数)的结果，控制器将选择在SPAD阵列的正常操作期间将由电压源提供的适当电压。
[0042]在一些实施例中，用于校准的SPAD阵列可以为参考SPAD阵列或可以是用于探测的SPAD阵列的部分或全部。如果用于校准的SPAD阵列为参考阵列，则可以使参考阵列在例如闭合壳体中避开周围光线。如果用于校准的SPAD阵列也在正常操作中使用，则可以在校准模式期间遮蔽SPAD阵列。
[0043]参照图3，图3示出了一个实施例的方法。
[0044]在步骤SI中，校准循环开始。校准循环的开始可以由控制器控制。
[0045]在步骤S2中，控制电压源输出第一校准电压并且激活或接通光源。电压源可以由控制器控制。
[0046]在步骤S3中，将该第一校准电压的计数器的输出由控制器存储在可由控制器访问的存储器中。存储器可以是控制器的一部分或这与控制器是分离的。
[0047]在步骤S4中，针对每个剩余的校准电压重复步骤S2和S3。可以持续地激活光源或者可以每当施加新电压时激活光源。
[0048]在步骤S5中，通过控制器使用计数结果来选择在操作模式下电压源将提供的电压值。
[0049]在一些实施例中，以定义的时间间隔实施校准循环。在一些实施例中，正常操作模式可以插入有校准模式周期。在一些实施例中，取决于SPAD布局的使用，可以当不需要SPAD处于正常操作模式时执行校准。
[0050]在一些备选实施例中，校准循环被控制成响应于一个或多个条件的确定而备选地或附加地发生。例如，在一些实施例中，可以提供一个或多个传感器，并且可以使用这些传感器的输出控制何时执行校准循环。例如，在一些实施例中，可以使用温度传感器并且这例如可以用于控制校准循环。可以使用绝对温度，以便控制何时使用校准循环。备选地或附加地，当温度改变了预定量时，然后可以执行校准循环。
[0051]在一些实施例中，计数器6将收集校准期间来自阵列的所有SPAD的所有值，并且使用该信息来确定跨阵列的平均值。
[0052]在其它实施例中，计数器将收集来自阵列的一个或仅一些SPAD的值。
[0053]参照图4，图4示出了 SPAD偏置电压和操作条件的概要。图4的y轴的电压表示幅度值而不是绝对值。如果击穿电压(即跨SPAD的电压差)不够，则SPAD绝不会启动。这被标记为200。
[0054]随着电压增加，SPAD进入其正常操作范围。这被标记为202。在这个区域中，光子的碰撞释放的能量触发雪崩效应。
[0055]随着电压进一步增加，电压对于SPAD而言太高以至于无法根据需要操作。这是区域204。实践中，可能不会如图4所示那样清晰地限定区域之间的划分。因而，在一些实施例中，可能期望SPAD电压使得SPAD完全操作在区域202内并且不靠近邻近于区域200或区域400的边界区域。区域202可以被认为是其中SPAD对光最大响应的区域。不同实施例对于选择最适当电压而言可以使用不同选项。应理解到，在一些实施例中，可以获得多于一个的电压设置选项。这可以通过控制器进行选择。这可以例如依赖于使用、环境条件(例如温度)或任何其它合适参数。
[0056]期望的偏置电压可以是SPAD实现最大计数速率、最佳时间性能或者提供计数速率、时序性能和/或黑暗计数速率之间的折衷的电压所处的电压。
[0057]在一个实施例中，可以选择提供最大SPAD电流速率的电压设置。电压设置可以从低电压(即SPAD的电压的击穿以下)增加直到建立SPAD的击穿电压。当通过数字计数器探测到适当计数时确定SPAD80的击穿电压。可以施加固定的电压偏移或增加，使得知道偏置设置在击穿电压以外多远。
[0058]电压偏移可以通过控制器来控制并且可以获得不同的偏移。
[0059]备选地,差值电压可以设置得高于最大SPAD偏置电压,使SPAD置于永久击穿。然后可以降低偏置电压直到SPAD开始操作。偏置电压则可以降低固定量，以便将SPAD置于相对于最大击穿电压固定的偏置电流处。
[0060]在一个备选实施例中，控制器可以选择电压。如果SPAD根据需要操作，则使用该电压并且如果不选择另一电压。
[0061]在另一方法中，如果SPAD在所选电压下根据需要操作，则检查SPAD是否在该所选电压的一侧或另一侧或两侧上偏移地操作。如果SPAD不是例如在任一侧上偏移地根据需要工作，则可以使用相对偏移电压的性能作为关于是增加还是减小所选电压的向导，来选择新的SPAD电压。
[0062]备选地或附加地，一些实施例可以使用二进制搜索或半区间型技术。例如，在每个步骤中，算法可以将与使用的校准电压值相关联的计数与期望的计数值进行比较。如果值匹配或者在给定范围内，则确定校准电压为候选电压值。可以使用一些其它的校准电压，例如通过使用一个或多个偏移，来确定校准电压是否完全在期望的操作范围内。
[0063]如果计数值没有给出期望结果，则根据计数值，可以在下一校准循环中使用较高或较低的校准电压。对此进行重复直到校准电压给出需要的性能。
[0064]在实施例中使用的SPAD阵列可以具有任意合适的应用。例如，一些实施例可以使用于范围应用中。
[0065]现在参照图12，图12示意性地示出了实施例的概况。布局包括第一 SPAD阵列I和参考SPAD阵列2。每个SPAD阵列包括多个SPAD器件。
[0066]SPAD阵列I提供多个输出。通过示例的方式，阵列的每个SPAD可以提供输出。第一 SPAD阵列I的相应输出提供给相应的电路装置30-2，该电路装置30-2被布置成对相应SPAD的输出进行成形。该电路装置将被称为脉冲成形电路装置。每个输出因而可以具有其自己的脉冲成形电路装置。
[0067]类似地，参考SPAD阵列2的相应行输出提供给相应的脉冲成形电路装置30_1。每个与第一 SPAD阵列I相关联的脉冲成形电路装置30-2的输出输入到OR树5。类似地，每个与第二 SPAD阵列2相关联的脉冲成形电路30-1的输出提供给第二 OR树6。第一 OR树5的输出提供给延迟锁定环DLL8-2，而第二 OR树6的输出提供给第二 DLL8-1。
[0068]两个DLL的输出通过比较器布局38进行比较，以确定对象的距离，如稍后将更详细描述的那样。在本示例中，为相应阵列的每个SPAD提供脉冲成形电路装置，而在其它实施例中，可以支持脉冲成形电路装置与阵列的输出之间的不同关系。
[0069]一些实施例可以基于两个SPAD或SPAD阵列(一个是参考SPAD，另一个是测量SPAD)提供的信号之间的平均相移来得到范围信息。这将在稍后更详细地进行描述。这例如可以用于其中确定对象离器件的距离的范围应用中。
[0070]在一些实施例中，可以校准两个阵列中的仅一个阵列。例如，这可以是参考阵列。在其它实施例中，可以校准这两个阵列。
[0071]一些实施例可以集成在实现信号之间的相移的精确确定的器件中。
[0072]图13更详细地示出了可以与图12的布局相关联的一些电路装置。为简便起见，图13图示了第一 SPAD阵列I的单个SPAD(SPAD2)以及参考阵列2的单个SPAD(SPADl)。应理解到，图3的OR树未示出。
[0073]该器件包括电生成器10( “脉冲”)，该电生成器10具有向光源12供电的周期方波输出。电生成器10可以是图2的控制器9的一部分。参考阵列的第一单光子雪崩二极管SPADl放置得非常靠近光源12并且因而可以几乎瞬间接收到由光源12传送的信号。
[0074]第二单光子雪崩二极管SPAD2放置成接收由光源12发出的在对象16上反射之后的光信号。例如可以使用两个二极管之间的掩膜系统，使得二极管SPAD2不接收由光源12直接发出的光，并且使得通过在器件内部反射的光占有主导地位地触发二极管SPAD1。
[0075]非常靠近光源12的传感器SPADl的使用提供相对于直接由生成器10提供的参考信息改进的参考信息。实际上，由于传感器SPADl出来的信号与传感器SPAD2出来的信号是相同类型的，所以其他条件诸如周围光线可以对两种信号具有相同影响。因而这些信号之间的比较可以比传感器SPAD2输出的信号与生成器10输出的信号之间的比较更可靠。然而，应理解到，在一些实施例中，可以省略参考SPAD。
[0076]二极管SPADl和SPAD2在接收到它们接收的光束时生成脉冲。在以下描述中，由于与二极管SPADl和SPAD2相关联的电路是相同的，所以将使用扩展“_1”指代与二极管SPADl相关联的电路元件，并且将使用扩展“_2”指代与二极管SPAD2相关联的电路元件。
[0077]现在将描述与由二极管SPADl生成的信号相关联的电子电路，与二极管SPAD2相关联的电路是相同的。
[0078]由二极管SPADl发出的信号穿过脉冲成形电路30-1，脉冲成形电路30_1实现二极管SPADl生成的脉冲的重新成形。更具体而言，电路30-1递送信号SPAD1’，该信号SPAD1’展现具有与信号SPADl脉冲的开始相一致的开始的脉冲，但具有恒定的持续时间。
[0079]生成器10 ( “脉冲”)出来的信号耦合到DLL8-1的输入，并且具体地耦合到可变相移的移相器电路32-1的输入，其值根据作为控制向其施加的电压V-1而改变。移相器32-1的输出称为ADAPT-1，因而相对于生成器10生成的信号而相移，并且是DLL8-1的输出。AND门34-1在其两个非反向输入上接收信号SPAD1’和信号ADAPT-1。第二 AND门36_1在第一非反向输入上接收信号SPAD1’，并且在第二反向输入上接收ADAPT-1。门34_1的输出称为UP-1，并且门36-1的输出称为D0WN-1。信号UP-1和D0WN-1分别控制电流源IUP-1和IDOffN-1的激活，电流源IUP-1和ID0WN-1分别放置在供电电源与电容器C-1的第二端子之间以及电容器C-1的第一端子与接地之间。电容器C-1放置在电流源与接地的接合点处。跨电容器C-1的电压对应于用于控制可变相移的移相器32-1的信号V-1。该电路装置为DLL8-1。[0080]与二极管SPADl相关联的电路的信号ADAPT-1和与二极管SPAD2相关联的电路的信号ADAPT-2耦合到比较系统38的输入(COMP)，该比较系统提供取决于信号ADAPT-1和ADAPT-2之间的相移的信号SD。
[0081]图5是图示了移相器32-1的操作的图表。该曲线图示了根据控制电压V-1的值而在输出信号ADAPT-1和输入信号PULSE之间的相移信号DELAY。如该曲线所示，相移是恒定的，并且等于比电压V-1min小的电压V-1的持续时间Dmin，并且当电压V-1大于电压V-1max时等于值Dmax。在电压V-1min和V-1max之间，相移信号DELAY与值Dmin和Dmax之间的正向斜坡成线性关系。作为示例，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的输出信号的周期。如果已知离待探测对象的距离暗示着预定值之间的延迟范围，则例如可以使用其它配置。
[0082]图6是图示了包括电流源IUP-1和1D0WN-1的系统的操作的图表。图6的图表图示了电流源IUP-1和1D0WN-1根据信号UP-1和D0WN-1的持续时间的激活时间。阈值IPULSE限定了信号UP-1和D0WN-1的持续时间不受影响的最小时间限制。目的在于，当激活电流源IUP-1时，例如对电容器C-1充电，这样增加了电压V-1，并且当激活电流源1D0WN-1时，对电容器C-1放电，这样降低了电压V-1。
[0083]当信号UP-1的高态的时间超过持续时间TmsE时，激活电流源IUP-1预定持续时间tmax。当信号D0WN-1在大于持续时间TmsE的持续时间处于高态时，激活电流源ID0WN-1持续时间tmax，并且电容器C-1放电预定值。如果控制信号UP-1和D0WN-1的持续时间短于Tpulse的持续时间，则电流源IUP-1和ID0WN-1的激活持续时间与该持续时间成比例。因而，在一个循环期间，如果信号UP-1和D0WN-1交替处于高态，则注入到电容器C-1中的电流量可以为零。
[0084]图7A至图7F是图示了用于二极管SPAD2的图3和图4的器件的操作的时序图。更具体而言，图7A图示了光源12的生成器10的输出处的信号TOLSE，图7B图示了信号ADAPT-2，图7C图示了二极管SPAD2发送的信号，图7D图示了信号SPAD2’ ；图7E图示了信号UP-2，图7F图示了信号D0WN-2。
[0085]在时刻t0，信号PULSE从低态切换成高态。这里考虑信号PULSE和信号ADAPT-2之间的任意初始延迟为四分之一周期(D)。应注意，信号ADAPT-2的初始延迟可以为零、可以随机产生或者可以设置为预定值。
[0086]在时刻tl，信号ADAPT-2从时刻t0移位持续时间D之后切换到高态。在时刻t2，二极管SPAD2生成与对象反射的光子的接收相关联的脉冲。信号SPAD2由电路30_2重新成形以得到信号SPAD2’，该信号SPAD2’开始于时刻t2但在不同周期上具有相同的持续时间。
[0087]在信号SPAD2’处于高态的同时，信号ADAPT-2也处于高态，这使得在信号SPAD2’的脉冲的持续时间内信号UP-2切换到高态。如箭头所示，信号UP-2切换到高态，增加了下一周期处信号PULSE与信号ADAPT-2之间的相移。
[0088]在下一循环期间，二极管SPAD2在时刻t3发出脉冲。在所示示例中，在信号ADAPT-2为低态时，电路30-2重新成形的脉冲的第一半(SPAD2’)出现，并且在信号ADAPT-2处于高态时该脉冲的第二半出现。这使得信号D0WN-2和信号UP-2连续切换到高态。电流源IUP-2和ID0WN-2因而交替激活。由于这两个电流源的电流注入相互抵消，所以信号PULSE和ADAPT-2之间的相移在第三周期期间不变化。
[0089]如图7A至图7F的时序图所示，这里在上面描述的方法执行大量循环。信号ADAPT-2和PULSE之间的相移的调整通过低幅度阶段实现，这可以使得将在远离二极管SPAD2的最大功率接收点处出现的脉冲的影响最小化。
[0090]图4的电路因而可以在大量调整循环之后得到信号ADAPT-1和信号ADAPT-2，该信号ADAPT-1与信号PULSE相位偏移，并且具有与二极管SPADl上出现脉冲的平均时间一致的周期的开始，该信号ADAPT-2与信号PULSE相位偏移，并且具有与二极管SPAD2上出现脉冲的平均时间一致的周期的开始。以下将使用“ADLL”(模拟延迟锁定环)来指代移相器32、门34和36、电流源IUP和ID0WN、电容器C形成的环路，提供信号ADAPT。
[0091]有利地，两个ADLL的使用可以避免由于在驱动光源时固有的延迟而在生成器10的信号与传感器SPAD2的信号之间可能出现的相移。此外，在大量适应循环之后得到信号ADAPT-1和ADAPT-2可以限制器件对生成器发出的光的波形的灵敏度。
[0092]这里提供的方法针对每次距离确定提供两个相位。第一个相位包括得到周期性相移信号ADAPT-1和ADAPT-2，如这里在上面通过两个ADLL的方式描述的那样。作为示例，可以在十万和一千万之间变化的循环数量期间执行调整。在一些实施例中，如果目的在于得到在Ims和IOms之间的延迟范围内的适当调整，则若信号PULSE具有一纳秒量级的周期，则可以在大约一百万个循环期间执行调整。第二个相位包括阻止对具有不再变化的相移的信号ADAPT-1和ADAPT-2的相位调整和工作，并且确定该相移的持续时间。然而，该相移的测量并不是即时的。实际上，由于期望探测的短距离，该相移可能非常小。这就会需要提供器件，该器件基于信号ADAPT-1和ADAPT-2提供距离信息。
[0093]可以提供这里在上面描述的方法和器件的许多变型。可以提供在相移调整之前的如下步骤，在该步骤期间将跨电容器C-1和C-2的电压初始化为预定值，例如，其最大值的一半。这可以实现朝向信号ADAPT-1和ADAPT-2的适当相移的更快调整。如果已知关于距离的信息，则也可以提供用于将跨电容器C-1和C-2的电压设置成不同值。例如，可以通过比较器的方式来执行跨电容器的电压的初始调整，该比较器接收输入上的信号ADAPT-1和ADAPT-2以及另一输入上的参考电压，该比较器的输出激活电流源IUP-1、IUP-2、IDOffN-1或 ID0WN-2。
[0094]也可以提供在相移调整之前的如下步骤，在该步骤期间，在电压ADAPT-1和ADAPT-2之间测量空闲状态(即没有光波接收情况下)的相移。根据需要，该相移然后将从测量中减去。
[0095]图11图示了示出使用一种方法来确定信号ADAPT-1和ADAPT-2之间的相移的持续时间并且因而确定离对象16的距离的器件。图11的电路示意性地示出图4的电路元件:两个模块ADLL-1和ADLL-2分别对应于模块8_1和8_2。
[0096]图11的电路包括接收时钟信号CLK的主输入。电路的、接收时钟信号CLK作为输入的第一分支包括:第一锁相环PLLl和用于通过因子N分频的电路。锁相环PLLl通过因子nPLLl增加输出信号的频率，并且分频电路将该频率划分以得到比二极管SPAD的最大雪崩触发频率更低的频率。
[0097]分频器N的输出信号对应于用于电路ADLLl和ADLL2的图4的电路的信号TOLSE。信号ADAPT-1和ADAPT-2 —旦调整和设置就耦合到AND门50的输入(COMP)，信号ADAPT-1耦合到非反向输入，信号ADAPT-2耦合到反向输入。因而门50的输出处的信号SD在对应于信号ADAPT-1和ADAPT-2之间的(设置)相移的持续时间内的每个周期期间处于高态。
[0098]为了得到关于信号SD的高态的持续时间的信息，计数器在计数之后提供作为该持续时间的映像的数目。该计数器在信号SD的若干连续周期期间操作。为了形成该计数器，时钟输入CLK耦合到第二锁相环PPL2的输入，该第二锁相环PPL2具有倍频系数nPLL2，该倍频系数nPPL2不同于但可以接近于锁相环PLLl的倍频系数nPLLl。作为示例，如果时钟信号CLK具有若干MHz量级上的频率，则锁相环PLLl和PLL2可以具有诸如65和66之类的倍频系数。当然可以使用其它值。
[0099]锁相环PLL2的输出信号耦合到系数为M的分频电路，分频器M的输出信号限定计数器在重置之前操作的周期。计数周期应足以得到计数器输出处的可靠信息。计数周期应至少对应于环PLLl和PLL2的输出信号的周期之间的最小公倍数。
[0100]锁相环PLL2的输出耦合到两个D触发器52和54的控制输入(在上升沿上)。分频器M的输出I禹合到第一 D触发器52的主输入,触发器52的Q输出I禹合到触发器54的主输入。
[0101]三输入AND门56在其输入上接收信号SD、触发器52的输出以及触发器54的输出。门56的输出形成计数器C0UNT58的激活信号。计数器58在锁相环PLL2的输出信号的上升沿上同步。两输入AND门60在非反向输入上接收触发器54的输出并且在反向输入上接收触发器52的输出，门60的输出形成用于重置(RST)计数器58的信号。
[0102]计数器58操作如下。在锁相环PLL2的输出信号的每个上升沿上，如果门56的输出处于高态，即，如果信号SD处于高态并且处于计数阶段(分频器M的输出信号处于高态)，则计数器递增。由于锁相环PLLl和PLL2的输出信号的频率差，计数器在计数循环中仅递增少量次数，如将在图8A至图8E、图9A至图9E以及图1OA至图1OF的时序图所见的那样。存储在计数器的计数循环最后的数目可以与信号SD的高态的持续时间相关联，并且因而与离对象的距离相关联。
[0103]图8A至图8E、图9A至图9E以及图1OA至图1OF是图示了图11的器件的操作的时序图。
[0104]更具体而言，图8A至图8E的时序图图示了全计数循环，图9A至图9E是图8A至图8E在计数器58的若干递增期间的放大(部分A)，以及图1OA至图1OF图示了计数器58的递增的细节(图9A至图9E的部分B)。
[0105]图8A至图8E、图9A至图9E以及图1OA至图1OE的时序图分别图示了信号ADAPT-1、信号ADAPT-2、信号SD、分频器M的输出信号以及计数器58的输出。图1OF的时序图进一步图示了环PLL2的输出信号。
[0106]如在这些不同时序图中可见的那样，计数器在环PLL2的输出信号的M个周期之后重置。图1OA至图1OF的放大示出了信号SD上的两个脉冲，一个暗示着计数器的递增，另一个暗示着没有递增。
[0107]在时刻Tl，信号SD上的脉冲出现，但在该脉冲期间没有出现锁相环PLL2的输出信号的上升沿，这并不修改计数器状态。在时刻T2，信号SD上的第二脉冲出现，并且在该脉冲期间锁相环PLL2的输出信号的上升沿出现，这使得计数器递增。
[0108]由于环PLLl和PLL2的输出信号之间的频率差，在计数持续时间期间，环PLL2的输出信号的上升沿出现在信号SD的周期的不同时刻处。因而，在计数循环上，脉冲在信号SD上的持续时间越长，计数器递增得越多。因而，在每个计数循环最后时的计数器58上的值通过模块62 (距离)的方式提供离对象的距离的非常精确的值，该模块62用于读取在循环最后时计数器上的值。图11的器件通过使用在合理频率的时钟信号用于集成电路的实现，例如小于1GHz，可以得到非常精细的时间准确度。
[0109]应注意，针对离对象的同一距离，可以提供若干计数循环，在这种情况下然后可以计算平均值来确定更准确的离对象的可能距离。
[0110]在一些实施例中，关于分频器N的输出信号的周期的开始，信号SD可以偏移环PLLl的输出信号的若干周期，以确保计数器对所有切换至信号SD的高态进行有效地计数。脉冲在信号SD上的持续时间也可以人工增加，以更好地读取该信号的通态持续时间，在计数循环最后时存储在计数器上的值相应地得到适配。
[0111]已经描述了具体实施例。本领域技术人员将容易想到各种变更、修改和改进。具体地，实施例并不限于ADLL耦合到SPAD的关联以及耦合到诸如图11中那样的用于确定通态持续时间的系统的关联。实际上，上述ADLL例如可以耦合到除了 SPAD外的其它类型的光传感器，其中源自这些传感器的信号是在接收到光脉冲时出现的事件的形式。例如，可以使用快速电荷转移光电二极管，其备选地在循环期间将光生电荷转移到两个读取节点上。每个循环中的每个节点上的电荷量提高关于离对象的距离的信息。
[0112]在这种二极管的情况下，呈现认为实现这里所述方法的可探测事件的信号将源自每个读取节点上的信号，所述事件的发生时间与每个节点上的光量相关联。可以提供被配置为从两个读取节点上的信号生成这些事件的电路装置。
[0113]在一些实施例中，为了确定作为由ADLL输出的两个信号之间的相移的映像的信号的持续时间，可以使用除了结合图11所述器件外的其它器件。
[0114]应理解到，在一些实施例中，可以使用不同类型的PLL。
[0115]在一些实施例中，可以省略DLL，并且可选地，可由任何其它合适电路装置替换。
[0116]如图12所示，针对每个阵列提供OR树。OR树功能在于允许相应相位成形器的输出继而被输出给相应DLL。OR树可以视为功能上等同于单个OR门，其具有与每个脉冲成形电路装置分开的输入。在这种布局的情况下，同一 DLL电路装置可以由脉冲成形电路装置中的两个或多个或全部使用。在一些实施例中，可以针对每个脉冲成型器提供分开的DLL电路装置。应理解到，可以控制参考阵列和测量阵列的输出，使得在测量阵列I和参考阵列2的对应输出之间存在对应关系。换言之，测量阵列的每个SPAD具有参考阵列中相应的对应 SPAD。
[0117]代替SPAD，一些实施例可以使用其它传感器。这些传感器可以是集成元件、快速电荷转移光电二极管或在接收到光信息时产生事件的任意其它合适器件。
[0118]应理解到，上述布局可以至少部分地通过集成电路、芯片组、封装在一起或在不同封装体中的一个或多个裸片、分立电路或这些选项的任意组合来实现。
[0119]应理解到，已经描述了一些实施例在范围器件中的应用。然而，应理解到，这仅是一些实施例的应用的一个示例。其它实施例可以用于SPAD或SPAD阵列或者任意其它合适光敏器件或光敏器件阵列的任意其它应用中。
[0120]应理解到，所示DLL布局仅作为示例，并且可以由任意其它合适DLL布局替换。[0121]应理解到，一个或多个DLL可以由用于提供诸如计数速率的测量的任意其它合适电路装置来替换。例如，在一些实施例中可以使用基于计数器的结构或Σ -Δ转换器。
[0122]一些实施例可以提供在诸如图14所示的设备400中。设备400可以包括前述并且标记为402的SPAD或类似布局中的任意一种。可以将来自SPAD布局的输出提供给处理器404。基于处理器提供的输出，可以输出信息或控制信号给功能模块406。该功能模块可以是控制器，该控制器被配置为响应于探测到对象的存在而引起一个或多个动作。该功能模块可以是显示器，该显示器被配置为显示测试结果。
[0123]应理解到，该设备可以是任意合适设备。仅作为示例且不进行任何限制，该设备可以是移动电话、智能电话、平板电脑、计算机、测量设备、诸如用于灯、控制诸如在水龙头或厕所中的供水的开关控制器、门控制器、距离传感器、碰撞控制器或任意其它合适设备。
[0124]这里在上面描述了具有不同变型的各种实施例。应注意到，本领域技术人员可以组合这些各种实施例和变型中的各种元件。
[0125]这种变更、修改和改进旨在于作为本公开的一部分，并且涵盖于本发明的范围内。相应地，前面的描述仅作为示例，并不旨在于进行限制。本发明仅受所附权利要求及其等同方案的限定。
【权利要求】
1.一种装置，包括: 至少一个光敏器件，所述光敏器件或所述光敏器件中的每一个被提供有电压；以及控制器，被配置用于控制电压源，所述控制器被配置用于使得所述电压源在校准模式中向所述光敏器件或所述光敏器件中的每一个施加至少一个校准电压，以确定在正常操作模式中将由所述电压源提供的电压。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述控制器被配置用于以规则间隔使得所述装置处于所述校准模式中。
3.根据权利要求1所述的装置，其中所述控制器被配置用于响应于满足一个或多个条件来使得所述装置处于所述校准模式中。
4.根据任一前述权利要求所述的装置，其中所述控制器被配置用于控制所述电压源以在至少一个相继的校准电压之后施加第一校准电压，所述相继的校准电压或每个相继的校准电压降低。
5.根据任一前述权利要求所述的装置，其中所述控制器被配置用于控制所述电压源以在至少一个相继的校准电压之后施加第一校准电压，所述相继的校准电压或每个相继的校准电压增加。
6.根据权利要求4或5所述的装置，其中所述第一校准电压被选择为所述光敏器件或每个光敏器件的击穿电压之下的电压和使得所述光敏器件或每个光敏器件处于击穿状态的电压中的一个。
7.根据权利要求4、 5或6中的任一个所述的装置，其中施加所述相继的校准电压直到所述光敏器件或每个光敏器件在正常操作模式中根据需要操作。
8.根据任一前述权利要求所述的装置，其中对校准电压施加偏移，所述偏移被确定为允许所述光敏器件或每个光敏器件在正常操作模式中操作。
9.根据任一前述权利要求所述的装置，包括光源，所述光源由所述控制器控制并且被配置为在所述校准模式中激活。
10.根据任一前述权利要求所述的装置，其中所述光敏器件或每个光敏器件被配置为当所述装置处于校准模式时被遮蔽以免受所述光源以外的光。
11.根据任一前述权利要求所述的装置，进一步包括附加的至少一个光敏器件，所述光敏器件或每个光敏器件在所述校准模式中使用并且所述附加的光敏器件或每个光敏器件在所述正常操作模式中使用，所述确定的电压在所述正常操作模式中施加到所述附加的光敏器件或每个光敏器件。
12.根据任一前述权利要求所述的装置，其中所述光敏器件或每个光敏器件包括单光子雪崩二极管。
13.根据任一前述权利要求所述的装置，包括所述电压源，其中所述电压源包括电荷栗。
14.根据任一前述权利要求所述的装置，包括计数电路装置，被配置用于对所述光敏器件或每个光敏器件中的至少一个的激活提供计数，所述计数电路装置向所述控制器提供计数信息。
15.一种集成电路，包括根据任一前述权利要求所述的装置。
16.—种方法,包括:控制电压源以在校准模式中向至少一个光敏器件施加至少一个校准电压，从而确定在正常操作模式中将由所述电压源提供的电压。
17.根据权利要求16所述的方法，包括以规则间隔执行所述校准模式。
18.根据权利要求16所述的方法，包括响应于满足一个或多个条件来执行所述校准模式。
19.根据权利要求16至18中的任一个所述的方法，包括控制所述电压源以在至少一个相继的校准电压之后施加第一校准电压，所述相继的校准电压或每个相继的校准电压降低。
20.根据权利要求16至19中的任一个所述的方法，包括控制所述电压源以在至少一个相继的校准电压之后施加第一校准电压，所述相继的校准电压或每个相继的校准电压增加。
21.根据权利要求19或20所述的方法，其中所述第一校准电压是所述光敏器件或每个光敏器件的击穿电压之下的电压和使得所述光敏器件或每个光敏器件处于击穿状态的电压中的一个。
22.根据权利要求19、20或21所述的方法，包括施加相继的校准电压直到所述光敏器件或每个光敏器件在正常操作模式中根据需要操作。
23.根 据权利要求16至22中的任一个所述的方法，包括对校准电压施加偏移，所述偏移被确定为允许所述光敏器件或每个光敏器件在正常操作模式中操作。
24.根据权利要求16至23中的任一个所述的方法，包括控制光源在所述校准模式中激活。
25.根据权利要求16至24中的任一个所述的方法，其中所述光敏器件或每个光敏器件包括单光子雪崩二极管。
26.根据权利要求16至25中的任一个所述的方法，其中所述电压源包括电荷泵。
27.根据权利要求16至26中的任一个所述的方法，包括对所述光敏器件或每个光敏器件中的至少一个的激活进行计数并且向所述控制器提供计数信息。
28.一种设备，包括权利要求1至14中任一个所述的装置或权利要求15所述的集成电路。
【文档编号】G01J11/00GK103994829SQ201410043497
【公开日】2014年8月20日 申请日期:2014年1月28日 优先权日:2013年2月18日
【发明者】B·雷, J·K·穆尔 申请人:意法半导体(R&D)有限公司