一种基于电流比较的SPAD淬灭电路制造技术

本发明专利技术属于模拟集成电路技术领域，具体涉及一种基于电流比较的SPAD淬灭电路。本发明专利技术应用电流镜感应雪崩电流，再通过电流比较检测雪崩电流信号，经反相器处理后输出脉冲信号；此结构有效地加快了单光子探测的响应速度，缩短淬灭时间，从而减小单光子雪崩光电二极管SPAD的电荷数量；还采用了一种可调时间的延迟保持电路，针对不同单光子雪崩光电二极管SPAD的特性，降低后脉冲等非理想因素产生的概率，增加电路灵活度，使电路更加可靠。本发明专利技术的淬灭和复位速度快,可以在几纳秒内实现单光子雪崩光电二极管的淬灭与复位。有效解决了传统单光子探测器淬灭电路因雪崩电流响应速度慢而导致淬灭复位时间长，从而引起单光子探测效率低的问题。问题。问题。

【技术实现步骤摘要】
一种基于电流比较的SPAD淬灭电路


[0001]本专利技术属于模拟集成电路
，具体涉及一种基于电流比较的SPAD淬灭电路。

技术介绍

[0002]单光子雪崩光电二极管(Single
‑
Photon Avalanche Diode，SPAD)凭借其探测距离远和探测灵敏度高等优点，被广泛应用于单光子激光测距、国土安全与监视、量子加密系统、荧光寿命检测。单光子雪崩光电二极管利用载流子的雪崩倍增效应实现单个光子的检测，工作在盖革模式下，即工作在超过击穿电压而尚未击穿的很小的一个电压范围内，此时单光子雪崩光电二极管SPAD中的高电压形成了高电场，处在非常敏感的工作区间，只要有微弱的光信号即可在皮秒级的时间内引发其产生毫安级的雪崩电流，响应速度极快。由于高电场，其单光子产生的载流子触发是一个自我维持的过程，倍增增益是无限的，雪崩过程会一直持续，否则持续的雪崩电流会产生过多的功耗，导致探测器发热，最终可能会损坏器件，无法进行下一次探测。
[0003]除此之外，单光子雪崩光电二极管SPAD在单光子探测中还存在暗计数、后脉冲效应、死区时间，噪声等非理想因素，这些因素限制了单光子探测最终能够达到的探测效率。为了降低非理想因素的影响，通常需要淬灭电路控制单光子雪崩光电二极管SPAD工作电压：将单光子雪崩光电二极管SPAD反向偏压迅速降低到雪崩击穿电压以下以淬灭雪崩电流，淬灭完成后并将单光子雪崩光电二极管SPAD的反向偏压复位至雪崩击穿电压以上，恢复待工作状态，等待下一次雪崩信号的探测，以此来减少雪崩电流的自持效应影响。
[0004]淬灭电路对于单光子探测有着重要影响，主要有被动淬灭电路、主动淬灭电路以及门控淬灭电路三种模式。被动淬灭电路结构简单，但是复位时间长，总体死区时间较长，后脉冲效应显著，将极大地影响探测器的探测效率，因此在实际电路设计时很少采用被动淬灭的方式。主动淬灭电路的设计有效克服了被动淬灭电路的缺点，所需要的淬灭时间与复位时间更短，死区时间更短，有效提高了单光子的探测效率；但是在主动淬灭电路中，淬灭时间主要由比较器的灵敏度和检测的延时时间来决定，若比较器延时时间较长则会导致淬灭时间过长。门控淬灭电路在雪崩刚发生后，可以在短时间内降低单光子雪崩光电二极管SPAD两端的偏置电压，立即输出雪崩脉冲，并且在脉冲持续时间后可以迅速复位到工作电压，但是门控淬灭电路只能淬灭光子到达的时间已知、非连续的光子信号。
[0005]现有技术中的淬灭电路普遍采用电压感应或电流感应模式雪崩电流，并通过电压检测来实现单光子雪崩光电二极管SPAD两端工作电压的偏置状态；因此响应速度较慢，从而影响淬灭复位时间，增大死区时间，降低了单光子的探测效率。

技术实现思路

[0006]针对上述存在问题或不足，为解决传统单光子探测器淬灭电路因雪崩电流响应速度慢而导致淬灭复位时间长，从而引起单光子探测效率低的问题，本专利技术提出一种基于电
流比较的SPAD淬灭电路，通过电流感应模式感应雪崩电流，再通过电流比较检测雪崩电流信号，有效地提高了单光子探测的响应速度，减少了死区时间，从而提高了单光子的探测效率。
[0007]一种基于电流比较的SPAD淬灭电路，包括单光子雪崩光电二极管SPAD、第一MOS管M1、第二MOS管M2、第三MOS管M3、第四MOS管M4、第五MOS管M5、第一反相器INV1、延迟保持电路和电流比较器。其中第一MOS管M1、第二MOS管、第三MOS管和第四MOS管均为N型MOS管；第五MOS管为P型MOS管；
[0008]所述第一MOS管M1作为复位管，其栅极连接延迟保持电路的输出端，漏极连接单光子雪崩光电二极管SPAD的阳极、第二MOS管M2和第五MOS管M5的漏极、第三MOS管M3和第四MOS管M4的栅极；第一MOS管M1的源极接地。
[0009]当第一MOS管M1接收到延迟保持电路输出的复位信号REC时导通，将单光子雪崩光电二极管SPAD阳极点处的电位下拉至地，从而单光子雪崩光电二极管SPAD两端的反向偏压大于雪崩击穿电压，恢复到工作状态，等待下一次的单光子触发。
[0010]所述第二MOS管M2的栅极与第五MOS管M5的栅极互连，并接在电流比较器的输出端，其源极与第三MOS管M3的漏极相连；第五MOS管M5的源极接电源电压VDD。
[0011]所述第三MOS管M3和第四MOS管M4的源极均接地；第三MOS管M3、第四MOS管M4构成电流镜结构，用以复制单光子雪崩光电二极管SPAD的雪崩支路产生的电流Ispad；第四MOS管M4的漏极将电流Ispad与外接雪崩阈值电流Iref连通作差并输出电流信号Iin到电流比较器的输入端，在电流比较器中进行电流比较。
[0012]所述第一反相器INV1的输入端连接电流比较器的输出端，输出端连接延迟保持电路的输入端；第一反相器INV1将雪崩电流脉冲信号OUTb进行翻转作为延迟保持电路的输入信号。
[0013]所述单光子雪崩光电二极管SPAD的阴极电压为该单光子雪崩光电二极管SPAD的雪崩击穿电压Vbreak加上电源电压VDD，使得单光子雪崩光电二极管SPAD在工作状态下的反偏电压大于雪崩击穿电压。单光子雪崩光电二极管SPAD的雪崩支路电流Ispad由第三MOS管M3、第四MOS管M4组成的电流镜结构镜像电流后与雪崩阈值电流Iref经电流比较器比较后输出逻辑电平0。
[0014]所述电流比较器的输入接第四MOS管M4的漏极，以及外部输入的雪崩阈值电流Iref；用于检测雪崩信号，当产生单光子雪崩光电二极管SPAD的雪崩支路电流Ispad时，与雪崩阈值电流Iref作比较，并输出雪崩电流脉冲信号OUTb给第一反相器INV1和第五MOS管M5的栅极。
[0015]所述延迟保持电路用于产生单光子雪崩光电二极管SPAD淬灭电路的复位信号REC，将单光子雪崩光电二极管SPAD的反向偏压复位至雪崩击穿电压以上，恢复待工作状态，等待下一次雪崩信号的探测。
[0016]当光子到来前，单光子雪崩光电二极管SPAD无光子触发，雪崩支路中的电流极小，此时通过电流镜结构复制雪崩电流Ispad与雪崩阈值电流Iref作电流比较，Ispad≤Iref，Iin≥0，电流比较器的输出信号OUTb为高电平，第一MOS管M1、第五MOS管M5截止，第二MOS管M2导通构成低阻路径，使得单光子雪崩光电二极管SPAD阳极电位处于低电平，从而单光子雪崩光电二极管SPAD两端的反向偏压大于雪崩击穿电压Vbreak，电路处于待光子检测的稳
定状态。
[0017]当光子到来时，单光子雪崩光电二极管SPAD产生雪崩电流Ispad，通过电流镜结构复制雪崩电流Ispad与雪崩阈值电流Iref作电流比较。Ispad＞Iref，Iin＜0，电流比较器的输出信号OUTb为低电平，第五MOS管M5导通，第二MOS管M2截止，使得单光子雪崩光电二极管SPAD阳极电位上拉至高电平，从而单光子雪崩光电二极管SPAD两端的反向偏压降低至雪崩击穿电压以下，单光子雪崩光本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于电流比较的SPAD淬灭电路，其特征在于：包括单光子雪崩光电二极管SPAD、第一MOS管M1、第二MOS管M2、第三MOS管M3、第四MOS管M4、第五MOS管M5、第一反相器INV1、延迟保持电路和电流比较器；其中第一MOS管M1、第二MOS管、第三MOS管和第四MOS管均为N型MOS管；第五MOS管为P型MOS管；所述第一MOS管M1作为复位管，其栅极连接延迟保持电路的输出端，漏极连接单光子雪崩光电二极管SPAD的阳极、第二MOS管M2和第五MOS管M5的漏极、第三MOS管M3和第四MOS管M4的栅极，第一MOS管M1的源极接地；当第一MOS管M1接收到延迟保持电路输出的复位信号REC时导通，将单光子雪崩光电二极管SPAD阳极点处的电位下拉至地，从而单光子雪崩光电二极管SPAD两端的反向偏压大于雪崩击穿电压，恢复到工作状态，等待下一次的单光子触发；所述第二MOS管M2的栅极与第五MOS管M5的栅极互连，并接在电流比较器的输出端，其源极与第三MOS管M3的漏极相连；第五MOS管M5的源极接电源电压VDD；所述第三MOS管M3和第四MOS管M4的源极均接地；第三MOS管M3、第四MOS管M4构成电流镜结构，用以复制单光子雪崩光电二极管SPAD的雪崩支路产生的电流Ispad；第四MOS管M4的漏极将复制的电流Ispad与外接雪崩阈值电流Iref连通作差，并输出电流信号Iin到电流比较器的输入端；所述第一反相器INV1的输入端连接电流比较器的输出端，输出端连接延迟保持电路的输入端；第一反相器INV1将雪崩电流脉冲信号OUTb进行翻转作为延迟保持电路的输入信号；所述单光子雪崩光电二极管SPAD的阴极电压为该单光子雪崩光电二极管SPAD的雪崩击穿电压Vbreak加上电源电压VDD，使得单光子雪崩光电二极管SPAD在工作状态下的反偏电压大于雪崩击穿电压；所述电流比较器的输入接第四MOS管M4的漏极，以及外部输入的雪崩阈值电流Iref；用于检测雪崩信号，当产生单光子雪崩光电二极管SPAD的雪崩支路电流Ispad时，与雪崩阈值电流Iref作比较，并输出雪崩电流脉冲信号OUTb给第一反相器INV1和第五MOS管M5的栅极；所述延迟保持电路用于产生单光子雪崩光电二极管SPAD淬灭电路的复位信号REC，将单光子雪崩光电二极管SPAD的反向偏压复位至雪崩击穿电压以上，恢复待工作状态，等待下一次雪崩信号的探测；当光子到来前，单光子雪崩光电二极管SPAD无光子触发，此时通过电流镜结构复制雪崩电流Ispad与雪崩阈值电流Iref作电流比较，Ispad≤Iref，Iin≥0，电流比较器的输出信号OUTb为高电平，第一MOS管M1、第五MOS管M5截止，第二MOS管M2导通构成低阻路径，使得单光子雪崩光电二极管SPAD阳极电位处于低电平，从而单光子雪崩光电二极管SPAD两端的反向偏压大于雪崩击穿电压Vbreak，电路处于待光子检测的稳定状态；当光子到来时，单光子雪崩光电二极管SPAD产生雪崩电流Ispad，通过电流镜结构复制雪崩电流Ispad与雪崩阈值电流Iref作电流比较；Ispad＞Iref，Iin＜0，电流比较器的输出信号OUTb为低电平，第五MOS管M5导通，第二MOS管M2截止，使得单光子雪崩光电二极管SPAD阳极电位上拉至高电平，从而单光子雪崩光电二极管SPAD两端的反向偏压降低至雪崩击穿电压以下，单光子雪崩光电二极管SPAD的雪崩自持效应停止，达到淬灭的目的；同时，经过电流比较器输出的雪崩电流脉冲信号OUTb通过第一反相器INV1反相后，由
延迟保持电路延时，输出复位信号REC，使得作为复位管的第一MOS管M1导通，将单光子雪崩光电二极管SPAD阳极点处的电位下拉至地，从而单光子雪崩光电二极管SPAD两端的反向偏压大于雪崩击穿电压，恢复到工作状态，等待下一次的单光子触发。2.如权利要求1所述基于电流比较的SPAD淬灭电路，其特征在于：所述延迟保持电路包括第六MOS管M6、第七MOS管M7、第八MOS管M8、第九MOS管M9和第二反相器INV2；其中，第六MOS管M6、第七MOS管M7和第九MOS管M9均为N型MOS管，第八MOS管M8为P型MOS管；...

【专利技术属性】
技术研发人员：王向展，周洲，张中，张启辉，宁宁，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：