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专利号: 2018114935120
申请人: 南京邮电大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2025-07-25
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种时间-模拟转换电路,其特征在于:该电路包括信号输入逻辑单元、计时单元、电压保持单元以及读出单元;信号输入逻辑单元将光子信号转换为逻辑电平,其三个输入端分别接收光子信号、开始信号和停止信号,其输出端接计时单元的输入端;计时单元包括提供稳定充电电流的电流镜结构、提供电流源的电流镜结构以及计时电容;电压保持单元用于保持计时电容的极板电压,其输入端连接计时单元的输出端,其输出端接读出单元,读出单元读出极板电压信号。

2.根据权利要求1所述的时间-模拟转换电路,其特征在于:所述信号输入逻辑单元包括或门和RS触发器,开始信号和停止信号接或门的输入端,或门输出端接RS触发器的R端,RS触发器的S端接收光子信号,RS触发器的Q端为信号输入逻辑单元的输出端。

3.根据权利要求1所述的时间-模拟转换电路,其特征在于:所述计时单元中的提供稳定充电电流的电流镜结构包括四个衬底均接地的NMOS管;第一NMOS管的栅极为计时单元的输入端,其源极接地,其漏极与第二NMOS管的源极相连;第二NMOS管的栅极与第四NMOS管的栅极相连,第二NMOS管漏极与第五PMOS管的漏极相连;第四NMOS管的漏极外接偏置电流,并与其栅极相连,源极接第五NMOS管的漏极;第五NMOS管的栅极接电源(VDD),源极接地;

所述计时单元中提供电流源的电流镜结构包括四个PMOS管;第三PMOS管和第四PMOS管的栅极相互连接并与第五PMOS管的漏极相连,第三PMOS管和第四PMOS管二者的源极均接电源(VDD),第三PMOS管和第四PMOS管二者的漏极分别连接第五PMOS管的源极和第六PMOS管的源极;第五PMOS管栅极和第六PMOS管的栅极相互连接,并与第二NMOS管的栅极相连;第五PMOS管的漏极与第二NMOS管的漏极相连,第六PMOS管的漏极连接计时电容的上极板,为所述计时单元的输出端,计时电容的下极板接地。

4.根据权利要求3所述的时间-模拟转换电路,其特征在于:所述电压保持单元包括缓冲电路、第八PMOS管和第三NMOS管,所述计时单元的输出端连接缓冲电路的输入端和第八PMOS管的源极;第八PMOS管的漏极接第三NMOS管的漏极,栅极接复位信号的反相信号(clb),第三NMOS管的栅极接复位信号(c1),第三NMOS管源极和衬底均接地;缓冲电路的输出端为电压保持单元的输出,与读出单元的输入端相连;

电压保持单元还包括两个传输门电路,第一传输门的C端和 端分别接收输入逻辑单元的输出信号(in)和其反相信号(inb),其输出1端接所述第四PMOS管的漏极,输出2端接缓冲电路的输出端;第二传输门TG2的C端和 端分别接收复位信号及其反相信号,其输入1端接第八PMOS管MP8的漏极,其输出2端接第八PMOS管MP8的衬底以及缓冲电路的输出端。

5.根据权利要求4所述的时间-模拟转换电路,其特征在于:所述缓冲电路包括电流镜结构和推挽放大器,电流镜结构包括三个PMOS管和两个NMOS管,第十三PMOS管的栅极为缓冲电路的输入端,连接输入逻辑单元的输出端;第十三PMOS管漏极和第十四PMOS管的漏极分别接第七NMOS管和第八NMOS管的漏极,第七NMOS管的栅极和第八NMOS管的栅极相连,第七NMOS管和第八NMOS管二者的源极接地,第八NMOS管的漏极和栅极相连;第十三PMOS管和第十四PMOS管的源极相连,并连接第十二PMOS管的漏极,第十二PMOS管的栅极接直流电平(vb),第十二PMOS管源极接电源(VDD);

第十五PMOS管与第九NMOS管构成推挽放大器,两者漏极相连并连接第十四PMOS管的栅极,作为缓冲电路的输出,两者栅极相连,并连接第十三PMOS管的漏极;第十五PMOS管的源极接电源(VDD),第九NMOS管的源极接地。

6.一种利用权利要求1-5任一项所述的时间-模拟转换电路进行单光子飞行时间测量的方法,其特征在于:包括以下步骤:

(1)复位阶段:首先将该电路复位,复位信号c1为高电平,计时电容上的电荷通过第八PMOS管与第三NMOS管放电,使得电容上电压为0;然后复位信号变为低电平,第八PMOS管与第三NMOS管截止,复位完成;

(2)等待阶段:在光子信号到达之前,开始信号为高电平,光子信号为低电平,逻辑单元输出信号处于低电平,此时计时单元中的第一NMOS管截止,提供稳定充电电流的电流镜不工作,电流源中无电流,使计时单元中的第六PMOS管截止,电容上的电压为0,等待光子脉冲的到来;

(3)光子飞行时间探测阶段:当光子信号脉冲到达时,逻辑单元输出信号上升沿到来,计时单元中的第一NMOS管导通,由第一NMOS管、第二NMOS管、第四NMOS管和第五NMOS管构成的电流源提供稳定的充电电流,使计时单元中第六PMOS管导通,采样电容开始充电,电压值随着时间线性增加;在电压值增加的过程中,电压保持单元阻止电容上的电荷流失;

(4)电压读出阶段:曝光结束后,停止信号为高电平,读出信号为高电平,输入逻辑单元输出信号变为低电平,第六PMOS管处于截止状态,电容上的电压保持不变,电压保持单元阻止电容上的电荷流失,通过缓冲电路输出电压幅值,通过输出电压与时间的线性关系得到从光子到达到停止信号到来的时间差,实现时间-模拟的转换。