一种测距设备及其高压生成电路的制作方法

1.本实用新型涉及测距技术领域，特别是涉及一种测距设备及其高压生成电路。


背景技术：

2.在利用基于spad(singlephotonavalanchediode，单光子雪崩二极管)+tcspc(time-correlatedsinglephotoncounting，时间相关单光子计数)的dtof面阵测距、成像的过程中，需要让工作在盖革状态的二极管发生雪崩，可参阅图1，为简单的spad前端的结构示意图，要求二极管pn结两端的反偏电压vop要高于雪崩电压vbd，高出部分的电压一般被称为过偏压veb，即vop＝vbd+veb，从而控制后级的tdc(time-to-digitalconverter，时间数字转换器)电路的计时输出，通过该计时来计算光的飞行时间，实现测距。
3.一般而言，veb的选取需要考虑到器件的工艺与结构，过高的veb会导致传感器的噪声较大，而veb过低会导致传感器的灵敏度降低，一般用光子探测效率pde来评估器件的灵敏度。在实际使用时，当环境光弱时一般希望提高pde，从而提升对于低反射率、远距离目标的探测。反之，在环境光强时希望降低pde，降低环境光造成的触发，环境光造成的这些触发对测量没有意义，并且会给后端处理造成一些副作用，例如造成信噪比的下降等问题。
4.可参阅图2，为一种场合中，采用图1电路架构下不同环境光下的统计直方图，可以看出，随着环境光的增加，会让底噪变成倾斜(趋近指数关系)，这样回波目标的识别在hist上较为困难，可以通过一系列电路设计解决这个问题，但是会增加成本和功耗。此外，环境光的触发在消耗电路带宽的情况下还会大幅增加电路功耗，实际测试可发现高环境光下会增加芯片功耗达mw级别。
5.可参阅图3a，为目前常见的一种dtof电路架构示意图，其中的hvout即为vop(vbd+veb)。针对上述问题，目前的解决方法有以下几种：第一种是降低pde，这样会直接牺牲掉低光的可探测性。具体工程实现时，可以采用在spad上增加金属层格挡、加衰减片等一系列方法。第二种方案可参阅图3b，为使用额外sensor控制参考电压的感光自适应电路示意图，第三种方案可参阅图3c，为使用额外sensor控制偏置电压的感光自适应电路示意图，图3b和图3c的方式均需要额外增加一个环境光探测器，根据环境光来实现veb的调节，成本较高。图3d和图3e则是使用直方图做环境光检测的2种感光自适应电路示意图，使用spad的直方图提取环境光信息，根据环境光来实现veb的调节。图3b至图3e的最大问题补偿曲线难以控制，即veb调节曲线较难定义，可能会导致补偿过渡的情况，即导致vop《vbd，使得模块不工作。
6.综上所述，如何在不同环境光下，使得测距设备的灵敏度达到合适的数值，以保障测距的准确度，不会出现调节过度的情况，是目前本领域技术人员急需解决的技术问题。


技术实现要素：

7.本实用新型的目的是提供一种测距设备及其高压生成电路，以在不同环境光下，使得测距设备的灵敏度达到合适的数值，以保障测距的准确度，且不会出现调节过度的情
况。
8.为解决上述技术问题，本实用新型提供如下技术方案：
9.一种高压生成电路，包括：
10.用于产生基准电压的基准电压发生器；
11.与所述基准电压发生器的输出端连接，用于依据所述基准电压，通过自身的反馈环路维持所输出电压hvout稳定的稳压电路；
12.第一端与第一电源连接，第二端分别与所述基准电压发生器的电源端和所述稳压电路的电源端连接的第一电阻，用于通过所述第一电阻，降低基准电压的值和输出电压hvout的值。
13.优选的，还包括第一开关；
14.所述第一开关与所述第一电阻并联；
15.当测得环境光较弱时，所述第一开关闭合，所述第一电阻被短路；当测得环境光较强时，所述第一开关断开。
16.优选的，所述稳压电路包括：第一分压电路，第二分压电路，比较器以及电荷泵；
17.所述比较器的正极输入端与所述基准电压发生器的输出端连接，所述比较器的负极输入端与所述第一分压电路和所述第二分压电路连接的公共端连接，所述比较器的输出端与所述电荷泵的输入端连接；
18.所述电荷泵的电源端作为所述稳压电路的电源端，所述电荷泵的输出端作为所述稳压电路的输出端；
19.所述第一分压电路和所述第二分压电路串联接在所述稳压电路的输出端和地之间。
20.优选的，所述第一分压电路包括第二电阻，第二分压电路包括第三电阻；
21.所述第二电阻和所述第三电阻串联接在所述稳压电路的输出端和地之间。
22.优选的，所述第一电阻为阻值可调电阻。
23.优选的，输出电压hvout外接多个spad的阴极，每个spad的阳极通过串联的一个mos开关接地。
24.优选的，还包括：与所述第一电阻串联的第二开关，以及n个与所述第一电阻并联的电阻支路，n为正整数；
25.每个所述电阻支路中均包括1个电阻以及与该电阻串联的开关；通过控制所述电阻支路的开关闭合或断开，来调整串联在所述第一电源与所述基准电压发生器的电源端之间电阻的阻值。
26.优选的，所述第二开关及n个电阻支路中的开关，均为mos管做的开关，栅极由寄存器的输出控制。
27.一种测距设备，包括如上述所述的高压生成电路。
28.应用本实用新型实施例所提供的技术方案，利用了基准电压发生器环路控制的稳定性不足，达到自适应地控制hvout的目的。具体的，基准电压发生器可以产生基准电压vref，稳压电路与基准电压发生器的输出端连接，可以依据基准电压vref，通过稳压电路自身的反馈环路维持所输出电压hvout稳定。当环境光增强时，后级的spad触发数量增加，所以稳压电路的输出电流会增加，由于本技术在第一电源与基准电压发生器的电源端以及稳
压电路的电源端之间设置了第一电阻，因此当稳压电路的输出电流增加时，导致第一电阻的分压增加，也就使得基准电压发生器的供电电压vin降低。理论上，基准电压发生器的供电电压vin降低并不会影响基准电压vref，即通常而言基准电压vref视为是固定值，但是本技术利用了基准电压发生器环路控制的稳定性不足的特点，考虑到当供电电压vin变化较大时，会导致基准电压发生器的环路无法稳定，进而导致基准电压发生器的输出电压下降，即导致基准电压发生器所输出的基准电压vref下降。基准电压vref下降会导致稳压电路的输出电压hvout下降，也即实现了veb的降低。此外，当hvout下降到一定程度时(低于vbd)，spad触发数量趋近于0，第一电阻的分压减少，便会让电路进入正常模式，因此本技术的方案不会出现由于hvout的过调而导致整个电路不工作的情况。
29.综上可以看出，本技术的方案中，利用了基准电压发生器环路控制的稳定性不足的特点，通过设置的第一电阻，使得环境光较强时可以降低基准电压的值和输出电压hvout的值，也即实现了veb的降低。因此，本技术的方案中，在不同环境光下，可以使得电路的灵敏度达到合适的数值，进而也就有利于保障测距的准确度。并且本技术方案不会出现调节过度的情况，只需要设置第一电阻也使得方案的成本较低。
附图说明
30.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
31.图1为简单的spad前端的结构示意图；
32.图2为一种场合中采用图1电路架构下不同环境光下的统计直方图；
33.图3a为目前常见的一种dtof电路架构示意图；
34.图3b为目前使用额外sensor控制参考电压的感光自适应电路示意图；
35.图3c为目前使用额外sensor控制偏置电压的感光自适应电路示意图；
36.图3d为目前使用直方图做环境光检测的一种感光自适应电路示意图；
37.图3e为目前使用直方图做环境光检测的另一种感光自适应电路示意图；
38.图4为本实用新型中一种高压生成电路的结构示意图；
39.图5为本实用新型中一种具体实施方式中的高压生成电路的结构示意图；
40.图6为本实用新型中另一种具体实施方式中的高压生成电路的结构示意图；
41.图7为本实用新型中又一种具体实施方式中的高压生成电路的结构示意图；
42.图8a为本实用新型一种具体实施方式中低环境光下的直方图对比示意图；
43.图8b为本实用新型一种具体实施方式中高环境光下的直方图对比示意图。
具体实施方式
44.本实用新型的核心是提供一种高压生成电路，在不同环境光下，可以使得电路的灵敏度达到合适的数值，进而也就有利于保障测距的准确度。并且本技术方案不会出现调节过度的情况，只需要设置第一电阻也使得方案的成本较低。
45.为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面结合附图和具体实施
方式对本实用新型作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
46.请参考图4，图4为本实用新型中一种高压生成电路的结构示意图，该高压生成电路可以包括：
47.用于产生基准电压的基准电压发生器10；
48.与基准电压发生器10的输出端连接，用于依据基准电压，通过自身的反馈环路维持所输出电压hvout稳定的稳压电路20；
49.第一端与第一电源连接，第二端分别与基准电压发生器10的电源端和稳压电路20的电源端连接的第一电阻r1，用于通过第一电阻r1，降低基准电压的值和输出电压hvout的值。
50.具体的，本技术所使用的基准电压发生器10的具体类型及其内部的具体电路结构均可以根据实际需要进行设定和调整，只要能够有效地产生所需要的基准电压vref即可。基准电压发生器10所产生的基准电压vref的具体数值也可以根据实际需要进行设定和调整，此处不再展开说明。
51.稳压电路20与基准电压发生器10的输出端连接，可以依据基准电压vref，通过自身的反馈环路维持所输出电压hvout的稳定。同样的，稳压电路20的具体类型及其内部的具体电路结构均可以根据实际需要进行设定和调整，通常，基于比较器的结构便可以较为简单方便地实现稳压电路20的反馈环路。
52.例如，在本实用新型的一种具体实施方式中，可参阅图5，稳压电路20可以具体包括：第一分压电路，第二分压电路，比较器21以及电荷泵22；
53.比较器21的正极输入端与基准电压发生器10的输出端连接，比较器21的负极输入端与第一分压电路和第二分压电路连接的公共端连接，比较器21的输出端与电荷泵22的输入端连接；
54.电荷泵22的电源端作为稳压电路20的电源端，电荷泵22的输出端作为稳压电路20的输出端；
55.第一分压电路和第二分压电路串联接在稳压电路20的输出端和地之间。
56.第一分压电路和第二分压电路起到的是分压的效果，通常可以由电阻实现，成本较低，可靠性较高。即第一分压电路包括第二电阻r2，第二分压电路包括第三电阻r3；第二电阻r2和第三电阻r3串联接在稳压电路20的输出端和地之间。图5的实施方式中便是采用的该种实施方式。当然，在其他具体实施方式中，可以采用其他电路器件实现分压效果，并不影响本实用新型实施。此外可以理解的是，使用电阻实现分压时，可以由单个电阻作为上述的第二电阻r2，也可以利用多个电阻进行串/并联的组合实现等效的第二电阻r2，第三电阻r3与此同理。
57.在图5的实施方式中，第二电阻r2的第一端与电荷泵22的输出端连接，且该连接端作为稳压电路20的输出端，而第二电阻r2的第二端与第三电阻r3的第一端连接，第三电阻r3的第二端接地。第二电阻r2与第三电阻r3的连接端的电压在图5中标记为v
fb
，在正常情况下，v
fb
与基准电压vref之间误差较低甚至没有误差，稳压电路20所输出电压hvout处于稳定状态。
58.比较器21的正极输入端为基准电压vref，比较器21的负极输入端为v
fb
，在基准电压vref保持不变的情况下，v
fb
的波动可以引起比较器21的输出电压的变化，进而使得电荷泵22的输出电压hvout发生变化，从而通过负反馈的原理使得输出电压hvout恢复稳定。
59.本技术设置了第一端与第一电源连接，第二端分别与基准电压发生器10的电源端和稳压电路20的电源端连接的第一电阻r1，使得在环境光较强时，可以通过第一电阻r1来降低基准电压的值和输出电压hvout的值。
60.具体的，稳压电路20的输出端连接的是用于进行光电转换的感光电路，该感光电路通常为spad感光阵列。例如在本实用新型的一种具体实施方式中，输出电压hvout外接多个spad的阴极，每个spad的阳极通过串联的一个mos开关接地。
61.在图5的实施方式中，用vq表示相应的spad所串联的接地mos开关的控制信号。通过这些mos开关，控制器可以控制相应的spad是否处于工作状态。如上文的描述，在实际应用中，感光电路通常为spad感光阵列，这些阵列可以按照预设的分组，依次进入工作状态，而控制器便是通过这些mos开关，来决定当前是哪些spad处于工作状态。当然，感光电路的具体工作模式可以根据实际需要进行设定和调整，本技术对此不再展开说明。图5的实施方式中，仅在稳压电路20的输出端示出了3个外接的spad。
62.当环境光增强时，spad感光阵列中，触发的spad数量便会增加，因此图5的i_spad增加，i_spad表示的是稳压电路20的输出电流。i_spad增加会导致稳压电路20的供电电流增加，也即图5中电荷泵22的供电电流i_pump增加，从而导致第一电阻r1的分压增加，也就使得基准电压发生器10的供电电压vin降低。
63.理论上，基准电压发生器10的供电电压vin降低并不会影响基准电压vref，但是本技术考虑到，当供电电压vin变化较大时，会导致基准电压发生器10的环路无法稳定，进而导致基准电压发生器10的输出电压下降，即导致基准电压发生器10所输出的基准电压vref下降，基准电压vref下降进而会导致稳压电路20的输出电压hvout下降。
64.可以理解的是hvout＝vop＝vbd+veb，如果veb较大，触发的spad数量就较多。反之，veb小，触发的spad数量就少，即veb小会降低spad阵列的触发率。
65.因此，利用基准电压发生器10的环路无法稳定的特性，当稳压电路20的输出电压hvout下降时，由于veb降低，便会降低环境光造成的触发，即提升了本技术的方案对抗环境光的性能，也就提升了被测物体被检出的概率。
66.此外还需强调的是，当hvout下降到一定程度时(低于vbd时)，由于spad触发数量趋近于0，此时第一电阻r1的分压减少，基准电压发生器10的供电电压vin恢复正常，基准电压vref也恢复正常，便会让电路进入正常模式，即本技术的方案不会出现由于hvout的过调而导致整个电路不工作的情况。
67.在本实用新型的一种具体实施方式中，可参阅图6，还可以包括第一开关s1；第一开关s1与第一电阻r1并联；当测得环境光较弱时，第一开关s1闭合，第一电阻r1被短路；当测得环境光较强时，第一开关s1断开。
68.该种实施方式考虑到，在前文的实施方式中，是通过设置第一电阻r1，使得在环境光较强时，可以通过第一电阻r1来降低基准电压的值和输出电压hvout的值，进而降低veb，控制了高环境光带来的干扰，提升了被测物体被检出的概率。
69.而在环境光较弱时，则可以通过将第一开关s1设置为闭合状态，使得第一电阻r1
被短路，从而有效地保障基准电压发生器10的供电电压vin的稳定性，也就保障了基准电压的值和输出电压hvout的值的稳定性。当然，当测得环境光较强时，需要将第一开关s1断开，以使第一电阻r1生效。
70.第一开关s1是否闭合，可以由使用者进行控制，也可以由相应控制器基于当前检测到的环境光强度自动控制，并不影响本实用新型的实施。
71.进一步的，在本实用新型的一种具体实施方式中，考虑到可以基于环境光的大小来调整第一电阻r1的电阻值，也即控制了反馈的强度。因此，在本实用新型的一种具体实施方式中，第一电阻r1可以具体为阻值可调电阻，电阻值可以由使用者手动调整。并且可以理解的是，环境光越强时，越应当增大第一电阻r1的阻值，从而有效地降低基准电压的值和输出电压hvout的值，以降低环境光造成的触发。反之，环境光越弱时，越应当降低第一电阻r1的阻值，最低便是将第一电阻r1的电阻值降低为0，起到前述实施方式中闭合第一开关s1的效果。
72.在本实用新型的一种具体实施方式中，可参阅图7，还可以包括：与第一电阻r1串联的第二开关s2，以及n个与第一电阻r1并联的电阻支路，n为正整数；
73.每个电阻支路中均包括1个电阻以及与该电阻串联的开关；通过控制电阻支路的开关闭合或断开，来调整串联在第一电源与基准电压发生器10的电源端之间电阻的阻值。
74.在前述实施方式中，采用的是第一电阻r1为阻值可调电阻的实施方式，实现了第一电阻r1的阻值调整。而该种实施方式进一步地考虑到，第一电阻r1为阻值可调电阻时，通常需要由使用者手动调整阻值，相当于增大了使用门槛，也不利于实现使用的便捷性，因此，该种实施方式中，设置了与第一电阻r1串联的第二开关s2，以及n个并联的电阻支路，从而通过调整电阻支路中的开关的闭合或断开，就可以有效地调整串联在第一电源与基准电压发生器10的电源端之间电阻的阻值，起到了上述实施方式中第一电阻r1具体为阻值可调电阻的效果。
75.而与上文同理，在调整电阻支路中的开关的闭合或断开时，在环境光越强时，应当使得串联在第一电源与基准电压发生器10的电源端之间电阻的阻值越高，相应的，在环境光越弱时，应当使得串联在第一电源与基准电压发生器10的电源端之间电阻的阻值越低。
76.进一步的，在本实用新型的一种具体实施方式中第二开关s2及n个电阻支路中的开关，均为mos管做的开关，栅极由寄存器的输出控制。
77.该种实施方式中，前文描述的第二开关s2及n个电阻支路中的开关，可以均为mos管做的开关，mos管具有输入阻抗高、噪声低、热稳定性好，制造工艺简单、导通压降低等优点。
78.此外，由于通过控制第二开关s2及n个电阻支路中的开关，便可以有效地控制串联在第一电源与基准电压发生器10的电源端之间电阻的阻值，因此，第二开关s2及n个电阻支路中的开关，栅极可以均由寄存器的输出实现控制，即可以根据当前检测到的环境光强度，自动调整寄存器的输出，进而自动调整了串联在第一电源与基准电压发生器10的电源端之间电阻的阻值，使得可以达到最佳反馈强度。
79.可参阅图8a和图8b，图8a为本实用新型一种具体实施方式中低环境光下的直方图对比，图8b为本实用新型一种具体实施方式中高环境光下的直方图对比。可以看出，在高光环境下，由于本技术的方案可以降低器件的感光性能，因此控制了高环境光带来的干扰，大
幅提升了被测物体被检出的概率，此外由于spad触发次数的减少，也有利于降低了功耗。在图8b情况下，通过实测得知，功耗可以降低到原先的80％。
80.应用本实用新型实施例所提供的技术方案，利用了基准电压发生器10环路控制的稳定性不足，达到自适应地控制hvout的目的。具体的，基准电压发生器10可以产生基准电压vref，稳压电路20与基准电压发生器10的输出端连接，可以依据基准电压vref，通过稳压电路20自身的反馈环路维持所输出电压hvout稳定。当环境光增强时，后级的spad触发数量增加，所以稳压电路20的输出电流会增加，由于本技术在第一电源与基准电压发生器10的电源端以及稳压电路20的电源端之间设置了第一电阻r1，因此当稳压电路20的输出电流增加时，导致第一电阻r1的分压增加，也就使得基准电压发生器10的供电电压vin降低。理论上，基准电压发生器10的供电电压vin降低并不会影响基准电压vref，即通常而言基准电压vref视为是固定值，但是本技术利用了基准电压发生器10环路控制的稳定性不足的特点，考虑到当供电电压vin变化较大时，会导致基准电压发生器10的环路无法稳定，进而导致基准电压发生器10的输出电压下降，即导致基准电压发生器10所输出的基准电压vref下降。基准电压vref下降会导致稳压电路20的输出电压hvout下降，也即实现了veb的降低。此外，当hvout下降到一定程度时(低于vbd)，spad触发数量趋近于0，第一电阻r1的分压减少，便会让电路进入正常模式，因此本技术的方案不会出现由于hvout的过调而导致整个电路不工作的情况。
81.综上可以看出，本技术的方案中，利用了基准电压发生器10环路控制的稳定性不足的特点，通过设置的第一电阻r1，使得环境光较强时可以降低基准电压的值和输出电压hvout的值，也即实现了veb的降低。因此，本技术的方案中，在不同环境光下，可以使得电路的灵敏度达到合适的数值，进而也就有利于保障测距的准确度。并且本技术方案不会出现调节过度的情况，只需要设置第一电阻也使得方案的成本较低。
82.相应于上面的高压生成电路的实施例，本实用新型实施例还提供了一种测距设备，可以包括如上述任一实施例中的高压生成电路，可与上文相互对应参照，此处不再重复说明。
83.本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的技术方案及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型的保护范围内。