導讀

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、響應速度快、抗干擾能力強、體積小等優點，在諸如激光雷達、量子通信、熒光光譜分析等弱光探測領域得到了廣泛應用。SPAD的各類應用需要檢測探測器信號的讀出電路(Readout Integrated Circuit, ROIC)與之配套，以實現SPAD雪崩信號的快速提取與片上處理。SPAD各類應用對陣列規模、探測器信號的提取和處理能力的要求越來越高，而大規模陣列導致的寄生效應、功耗、面積等問題越來越突出，嚴重影響成像質量，陣列型SPAD讀出電路的設計面臨很大的挑戰。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。因此，單光子探測技術的發展既依賴于先進傳感器的研制，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。

研究背景

典型的基于光子飛行時間(Time of Flight, TOF)的成像系統架構如圖1所示，系統工作時，首先由主機/延時器發出系統啟動指令，ROIC完成測量前的電路復位，系統處于待測狀態。隨后主機發出激光發射指令EN，激光器向目標發射激光，同時ROIC中所有像素的時間-數字轉換器(Time-to-digital Converter, TDC)開始計時。直到像素的探測器檢測到目標反射的光子，TDC才停止計時。ROIC再將各個像素量化后的數據逐像素傳出，實現圖像處理與顯示。作為成像系統中的核心單元，ROIC需要為SPAD提供最佳偏置工作條件，并提取雪崩信號，隨后對雪崩信號進行高精度、高速實時處理和數據傳輸。其中，對探測器雪崩信號進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，最后輸出標準數字信號供后續電路處理。后續電路根據系統具體成像應用的需求，對雪崩信號執行數字量化、計算等操作，最終轉換、輸出為遵循一定格式要求的數據。按照對返回光子的處理方式，主要有光子計時、光子計數兩類信號處理電路，分別對應主動/被動成像應用。

圖1 基于SPAD陣列的TOF成像系統

主要內容

傳統接口電路的基本功能是實現雪崩信號的提取與淬滅，輸出標準數字信號供后級電路進行處理，近年來隨著SPAD陣列規模的不斷擴大，各研究團隊對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，接口電路具備了區域級或像素級調節SPAD反向偏壓的功能，可以分區域，甚至逐個像素精確調節反向偏壓。東南大學提出了一種可用于陣列的反偏電壓調節電路。如圖2所示，SPAD增益波動抑制電路采用DAC方式提供偏置點電壓，該電路位于像素外部，并與內部主動淬滅電路配合完成偏壓調節與雪崩淬滅。工作原理如下：首先根據每個SPAD探測器的擊穿電壓，確定每個像素調節電壓的數字碼。將所有像素的數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數據選擇器進行電壓選擇，同時將電壓調節器各結點輸出電壓提供給每個選擇該電壓的像素，進而實現多像素APD的反偏電壓可調，通過調節之后，陣列的暗計數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，遠遠高于ROIC的電源電壓，為了保護讀出電路，需要在電路上加入高壓擊穿保護電路，但由于ROIC的工藝一般為普通CMOS工藝，耐壓能力在5V以內，而高壓管非常占用面積，無法在像素內集成，目前有一些研究團隊提出了一些擊穿保護電路結構，但在陣列應用中目前尚無較好的解決方案。

圖2 偏壓調節電路架構圖 在基于光子飛行時間的應用中，由于光子到達時間不一致，理論上每個像素均需要獨立的TDC進行TOF的測量。利用時間放大、時間追趕等電路架構，傳統獨立TDC的時間分辨率已經可以達到1ps以下。但是，由于像素電路受到嚴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中常用的實現方法無法用于陣列TDC，導致陣列型TDC的精度難以提升。

其次在轉換位數有限的條件下，TDC的量化精度和量程相互制約。對于寬動態范圍的量化場合，傳統的單模式TDC難以協調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，導致時鐘頻率不斷提高、功耗顯著增大，因此量化精度的提高也會受到系統功耗的限制。而由不同類型的單模式TDC共同組合（時空域變換）構成的分段式TDC，即有多種不同最低有效位作為量化單位的組合式TDC，能夠以更低的代價高效實現多位量化，兼顧量程和精度，同時可以避免時鐘頻率和系統功耗的過度增加。

瑞士洛桑理工學院是較早實現大面陣高精度讀出電路的研究機構之一，該機構提出了一種基于TDC共享架構的低功耗ROIC，陣列規模擴展至128×128，時間分辨率最高可達97ps，系統架構如圖3所示。在該陣列ROIC中僅有32個TDC模塊，采用行掃描機制分時共享TDC，且一行中每四個像素為一組，一組共享一個TDC。由于采用TDC共享機制和逐行掃描方案，所以該系統僅需32個TDC即可實現128×128像素陣列的量化工作，極大地降低了系統功耗。又因為TDC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雜的多段式TDC架構，最終系統的時間分辨率能夠達到百皮秒以內。

圖3 基于TDC共享方案的ROIC架構

TDC共享方案通過減少系統中TDC的個數來實現低功耗，同時TDC面積不受單個像素單元的限制，因此可以采用多段式TDC、時間放大等方法提高時間分辨率。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。共享架構導致使用同一個TDC的像素每幀只能探測一個返回光子，因此TDC共享技術主要適用于成像實時性要求不高、光子稀疏的特定應用場合。

結論

縱觀國內外SPAD陣列讀出電路的發展，其陣列規模的進展較為緩慢，除了制造工藝的問題外，讀出電路的發展也遇到了技術瓶頸。主要的原因是隨著陣列規模的增大，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重，成為限制SPAD面陣規模進一步擴大的主要因素。事件驅動型TDC、像素共享型TDC的架構提出解決了一部分的功耗問題，但是隨著ROIC時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，功耗仍是一個較難解決的問題。其次SPAD探測器由于極高的增益，易產生暗計數，而暗計數引起的雪崩信號與光計數類似，電路難以區分，導致電路TOF的量化數據存在大量的無效數據，需要多幀檢測進行數據融合，實際成像速度非常低。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解決的問題。

隨著SPAD陣列應用需求的進一步發展，讀出電路將集成更多的功能，例如片上數據存儲、返回光子事件多回波檢測、自由探測模式等。SPAD陣列讀出電路將進一步向感、存、算一體化方向發展，最終真正實現單芯片成像。





審核編輯：劉清