具有低功率的时间数字转换器架构的光电检测器系统技术方案

示例性光电检测器系统包括光电检测器和耦合到光电检测器的时间到数字转换器(TDC)。TDC被配置为在响应于向目标施加光脉冲而开始的预定事件检测时间窗口期间，接收由其中光电检测器在光脉冲从目标反射之后检测到光脉冲的光子的事件触发的信号。TDC还被配置为响应于接收信号，使TDC的门控环形振荡器(GRO)能够使用GRO来测量在事件发生时到预定事件检测时间窗口结束之间的时间间隔，并基于该时间间隔和预定事件检测时间窗口来确定光子在光电检测器处的到达时间。测器处的到达时间。测器处的到达时间。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有低功率的时间数字转换器架构的光电检测器系统
[0001]相关申请
[0002]本申请要求2019年9月26日提交的美国临时专利申请No.62/906,620和2019年6月6日提交的美国临时专利申请No.62/858,029的优先权。这些申请的全部内容通过引用的方式并入本文中。

技术介绍

[0003]检测大脑中的神经活动对于医学诊断、成像、神经工程、脑机接口以及各种其它诊断和消费者相关的应用非常有用。例如，可能需要检测患者大脑中的神经活动以确定大脑的特定区域是否受到血液灌流减少、出血或任何其它类型的损伤的影响。作为另一示例，可能需要检测用户大脑中的神经活动，并将检测到的神经活动计算解码为可用于控制各种类型的消费者电子产品的命令(例如，通过控制计算机屏幕上的光标，改变电视频道，开灯等)。
[0004]能够检测单个光子(即，光能的单个粒子)的光电检测器是可以用于检测大脑内神经活动的非侵入性检测器的示例。例如，这些敏感的光电检测器的阵列可以记录响应于一个或多个光脉冲的应用而从大脑内组织反射的光子。基于光电检测器检测到光子所需的时间，可以确定或推断大脑的神经活动和其它属性。
[0005]时间数字转换器(TDC)与光电检测器结合使用以将定时事件或定时间隔(例如，在向目标施加光脉冲之后由光电检测器检测到光脉冲的光子所花费的时间量)转换为数字表示。传统上，锁相环或延迟锁定环用于提供相位和延迟信息以捕获具有特定的定时分辨率的数字化值。然而，同步TDC和/或TDC的组件可能消耗相对大量的功率。
附图说明
[0006]附图示出各种实施例并且是说明书的一部分。所示出的实施例仅是示例并且不限制本公开内容的范围。在整个附图中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的元件。
[0007]图1示出根据本文描述的原理的具有低功率TDC架构的示例性光电检测器。
[0008]图2示出根据本文描述的原理的具有低功率TDC架构的示例性光电检测器系统。
[0009]图3示出根据本文描述的原理的具有低功率TDC架构的光电检测器的示例性定时图。
[0010]图4
‑
8示出根据本文描述的原理的用于低功率TDC架构的组件的示例性电路。
[0011]图9A示出根据本文描述的原理的具有低功率TDC架构的示例性光电检测器系统。
[0012]图9B示出根据本文描述的原理的具有低功率TDC架构的示例性光电检测器系统的示例性定时图。
[0013]图10A示出根据本文描述的原理的具有低功率TDC架构的示例性光电检测器系统。
[0014]图10B示出根据本文描述的原理的包括具有低功率TDC架构的光电检测器系统的示例性可穿戴设备。
[0015]图11示出根据本文描述的原理的示例性方法。
[0016]图12示出根据本文描述的原理的示例性计算设备。
具体实施方式
[0017]本文描述了具有低功率TDC架构的光电检测器系统。本文描述的系统包括光电检测器、耦合到光电检测器的TDC以及耦合到TDC的控制电路。TDC被配置为在响应于向目标施加光脉冲而开始的预定事件检测时间窗口期间接收由其中光电检测器在光脉冲从目标反射之后检测到光脉冲的光子的事件触发的信号，该信号被配置为启用TDC的门控环形振荡器(GRO)。TDC还被配置为使用GRO测量事件发生时和预定事件检测时间窗口结束之间的时间间隔。控制电路被配置为基于时间间隔和预定事件检测时间窗口来确定光子在光电检测器处的到达时间。
[0018]由于本文描述的TDC架构响应于检测到光子的事件启用GRO和/或TDC的其它组件，因此TDC架构可以保存功率直到这样的事件发生。对于包括多个光电检测器的光电检测器系统，其中光电检测器中的许多光电检测器相对不频繁地检测到光子，与传统光电检测器系统相比，这样的事件驱动的TDC架构可能导致功耗的显著降低。此外，由于TDC被禁用和启用，传统上用于同步多个TDC的组件可能是不必要的，从而导致进一步减少功率使用以及减少系统面积。通过以下详细描述，可以由本文描述的系统和方法提供的这些和其它益处和/或优点将变得显而易见。
[0019]图1示出具有低功率TDC架构的示例性光电检测器系统102。如图所示，光电检测器系统102包括光电检测器104、控制电路106和TDC 108。在一些示例中，光电检测器系统102可以包括更多、更少和/或不同的组件。例如，光电检测器系统102可以包括多个光电检测器、与光电检测器对应的多个TDC以及用于光电检测器和TDC的一个或多个控制电路。
[0020]光电检测器104可以由任何合适的电路实现，该电路被配置为检测入射到光电检测器104上的光的各个光子。例如，光电检测器104可以通过包括单光子雪崩二极管(SPAD)的SPAD电路和被配置为一起操作以检测入射到SPAD上的光子的快速门控电路实现。当SPAD检测到光子时，光电检测器104可以生成输出。
[0021]TDC 108被配置为测量在出现光脉冲与出现由光电检测器104生成的输出信号之间的时间差，该输出信号指示SPAD电路104在从目标反射光脉冲之后检测到来自光脉冲的光子。本文描述了TDC 108的示例实现方式。
[0022]控制电路106可以由专用集成电路(ASIC)或被配置为控制光电检测器104(例如，SPAD电路)和TDC 108内的各种组件的操作的任何其它合适的电路来实现。
[0023]例如，控制电路106可以输出控制逻辑，该控制逻辑控制SPAD电路内的一个或多个开关的操作以选择性地将包含于光电检测器104中的SPAD置于待命或者拒绝状态(例如，通过选择性地对SPAD电路中的电容器充电)。在一些示例中，控制电路106可以控制门延迟，其指定控制电路106在出现光脉冲(例如，激光脉冲)之后等待以将SPAD置于待命状态的预定时间量。为此，控制电路106可以接收光脉冲定时信息，该信息指示光脉冲发生的时间(例如，光脉冲被施加到诸如大脑内的组织的目标的时间)。控制电路106还可以控制可编程门宽度，其指定SPAD在被拒绝之前保持在待命状态多长时间。例如，控制电路106可以在预定的事件检测时间窗口内将SPAD保持在待命状态。
[0024]控制电路106还可以被配置为控制TDC 108的操作。例如，如本文所述，控制电路
106可以生成用于启用和/或禁用TDC 108内的GRO和/或其它组件的一个或多个信号。
[0025]控制电路106还可以被配置为对TDC 108输出的数据执行一个或多个信号处理操作。例如，信号处理电路110可以基于TDC 108输出的数据并根据由控制电路106访问的直方图参数(例如，时间段、光脉冲的数量、直方图的类型等)来生成直方图数据。为了说明，控制电路106可以基于TDC 108输出的数据来生成、存储、传输、压缩、分析、解码和/或以其它方式处理直方图。在一些示例中，信号处理操作可以由单独的另外的组件执行。
[0026]图2示出具有低功率TDC架构的示例性光电检测本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种系统，包括：光电检测器；时间到数字转换器(TDC)，其耦合到所述光电检测器并且被配置为进行以下操作：在响应于向目标施加光脉冲而开始的预定事件检测时间窗口期间，接收由其中所述光电检测器在所述光脉冲从所述目标反射之后检测到所述光脉冲的光子的事件触发的信号，所述信号被配置为启用所述TDC的门控环形振荡器(GRO)；以及使用所述GRO来测量在所述事件发生时与所述预定事件检测时间窗口结束之间的时间间隔；以及控制电路，其耦合到所述TDC并且被配置为基于所述时间间隔和所述预定事件检测时间窗口来确定所述光子在所述光电检测器处的到达时间。2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述信号还被配置为进行以下操作：在所述TDC正在接收所述信号的同时启用所述TDC的所述GRO；并且在所述信号停止时禁用所述TDC的所述GRO。3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述TDC还被配置为：在所述预定事件检测时间窗口之后，接收被配置为禁用所述TDC的所述GRO的第二信号。4.根据权利要求3所述的系统，其中，在所述预定事件检测时间窗口完成时所述第二信号被接收。5.根据权利要求1所述的系统，其中：所述GRO包括一对或多对交叉耦合逆变器，所述逆变器被配置为在所述GRO被禁用时存储所述GRO的状态；以及所述测量所述时间间隔包括解码所述GRO的所存储的状态。6.根据权利要求5所述的系统，其中：所述TDC从提供外部参考时钟的锁相环(PLL)或延迟锁定环(DLL)接收电压；以及所述启用所述GRO和所述测量所述时间间隔中的至少一者另外地基于所接收到的电压。7.根据权利要求1所述的系统，其中：所述TDC还被配置为测量所述时间间隔之后的另外的时间间隔；所述控制电路还被配置为基于所测量到的另外的时间间隔来校准所述TDC；以及所述确定所述光子的所述到达时间还基于所述校准。8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述另外的时间间隔与所述预定事件检测时间窗口的长度相同或大体上相似。9.根据权利要求7所述的系统，还包括校准电路，其被配置为执行用于所述校准所述TDC的计算。10.根据权利要求7所述的系统，还包括查找表，其被配置为提供用于所述校准所述TDC的计算。11.根据权利要求7所述的系统，其中，所述TDC还被配置为：在所述另外的时间间隔之后，接收被配置为禁用所述TDC的所述GRO的第二信号。12.根据权利要求1所述的系统，其中：所述TDC还被配置为接收指定所述预定事件检测时间窗口的开始时间的事件窗口信
号；以及所述确定所述光子的所述到达时间还基于所述预定事件检测时间窗口的所述开始时间。13.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光电检测器包括：单光子雪崩二极管(SPAD)；以及快速门控电路，其被配置为装备和解除装备所述SPAD。14.一种方法，包括：通过耦合到光电检测器的时间到数字转换器(TDC)，在响应于向目标施加光脉冲而开始的预定事件检测时间窗口期间，接收由其中所述光电检测器在所述光脉冲从所述目标反射之后检测到所述光脉冲的光子的事件触发的信号，所述信号被配置为启用所述TDC的门控环形振荡器(GRO)；通过所述TDC并使用所述GRO，测量在所述事件发生时与所述预定事件检测时间窗口结束之间的时间间隔；以及通过耦合到所述TDC的控制电路，基于所述时间间隔和所述预定事件检测时间窗口，来确定所述光子在所述光电检测器处的到达时间。15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述信号还被配置为进行以下操作：在所述TDC正在接收所述信号的同时启用所述TDC的所述GRO；并且在所述信号停止时禁用所述TDC的所述GRO。16.根据权利要求14所述的方法，还包括：通过所述TDC，在所述预定事件检测时间窗口之后，接收被配置为禁用所述TDC的所述GRO的第二信号。17.根据权利要求16所述的方法，其中，在所述预定事件检测时间窗口完成时所述第二信号被接收。18.根据权利要求14所述的方法，其中：所述GRO包括一对或多对交叉耦合逆变器，所述逆变器被配置为在所述GRO被禁用时存储所述GRO的状态；以及所述测量所述时间间隔包括解码所述GRO的所存储的状态。19.根据权利要求18所述的方法，还包括：通过所述TDC从提供外部参考时钟的锁相环(PLL)或延迟锁定环(DLL)接收电压，并且其中，所述启用所述GRO和所述测量所述时间间隔中的至少一者另外地基于所接收到的电压。20.根据权利要求14所述的方法，还包括：通过所述TDC测量所述时间间隔之后的另外的时间间隔；以及通过所述控制电路基于所测量到的另外的时间间隔来校准所述TDC；并且其中，所述确定所...

【专利技术属性】
技术研发人员：S，
申请(专利权)人：HI有限责任公司，
类型：发明
国别省市：