一种具备快速响应的单光子雪崩二极管淬灭与复位电路制造技术

本发明专利技术提供一种具备快速响应的单光子雪崩二极管淬灭与复位电路，包括SPAD、负载电阻、NMOS管M

【技术实现步骤摘要】
一种具备快速响应的单光子雪崩二极管淬灭与复位电路


[0001]本专利技术涉及光信号接收电路的
，更具体的，涉及一种具备快速响应的单光子雪崩二极管淬灭与复位电路。

技术介绍

[0002]单光子雪崩二极管(SPAD)在医疗影像、激光雷达、光通信等领域具有重要的潜在应用，这是因为工作在盖革模式的SPAD能够由单光子级别的弱光信号激发出大电流脉冲，表现出非常高的光电转换增益。为确保其稳定工作在盖革模式，需要一个淬灭电路来淬灭触发的SPAD雪崩电流，同时需要一个复位电路将SPAD复位到初始偏置状态，以检测下一个光子事件。
[0003]被动式淬灭与复位电路是将大电阻串联至SPAD一端，但较为缓慢的淬灭反应速度和非常长的复位时间限制了它在高速探测系统中的应用。主动式淬灭与复位电路对SPAD接入前端电路的节点主动进行充放电，从而有效地缩短死区时间，但死区时间的减少容易造成后脉冲概率的升高。另外，SPAD雪崩电流开始和结束的时间间隔与产生的雪崩电荷量的多少有较强的相关性，前端淬灭电路对雪崩电流的响应时间越短，越有利于降低后脉冲概率。因此，在SPAD前端电路中采用主动式淬灭与复位电路并尽量缩短淬灭响应时间是一大发展趋势。
[0004]具备快速响应的主动式淬灭与复位电路通常由逻辑模块供电的反相器或MOS管检测雪崩电流，这是因为检测模块的检测阈值与供电电压直接相关。另一方面，更高的SPAD光子探测概率需要更大的额外偏置电压。然而，淬灭信号的摆幅受限于低电源电压，其驱动的淬灭开关MOS的输出电压也只能限制在最大值为逻辑模块的供电电压下。随着CMOS工艺制程的缩小，逻辑模块的供电电压进一步下降，现有的快速响应主动式淬灭与复位电路对SPAD的淬灭电压幅度也随之下降，无法同时满足高灵敏度SPAD所需的高额外偏置电压的要求并保持快速响应特性。

技术实现思路

[0005]本专利技术为克服现有的快速响应主动式淬灭与复位电路无法同时满足高灵敏度SPAD所需的高额外偏置电压的要求并保持快速响应特性的技术缺陷，提供一种具备快速响应的单光子雪崩二极管淬灭与复位电路。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术的技术方案如下：
[0007]一种具备快速响应的单光子雪崩二极管淬灭与复位电路，包括SPAD、负载电阻、NMOS管M
N2
、雪崩检测反相器、第一PMOS管M
P1
、第二PMOS管M
P2
、第三PMOS管M
P3
、第四PMOS管M
P4
、第五PMOS管M
P5
、淬灭信号电平移位器、复位信号电平移位器、延迟模块、单稳态电路和低压支路关闭模块；
[0008]所述SPAD的阴极接外部输入的反偏电压，阳极经由负载电阻接地，阳极还分别接雪崩检测反相器的输入端、NMOS管M
N2
的漏极、第二PMOS管M
P2
的漏极和第四PMOS管M
P4
的漏
极；所述雪崩检测反相器的输出端分别接延迟模块的输入端和第二PMOS管M
P2
的栅极，以及经由淬灭信号电平移位器接第四PMOS管M
P4
的栅极；所述延迟模块的第一输出端接单稳态电路的输入端；所述单稳态电路的输出端接低压支路关闭模块的输入端，以及经由复位信号电平移位器分别接NMOS管M
N2
的栅极和第三PMOS管M
P3
的栅极；所述第一PMOS管M
P1
的源极接外部输入的低电源电压，漏极接第二PMOS管M
P2
的源极，栅极接低压支路关闭模块的第一输出端；所述第三PMOS管M
P3
的源极接外部输入的高电源电压，漏极接第四PMOS管M
P4
的源极；所述第五PMOS管M
P5
的源极接低电源电压，漏极接延迟模块的输入端，栅极接低压支路关闭模块的第二输出端；所述低压支路关闭模块的第三输出端作为单光子雪崩二极管淬灭与复位电路的输出端。
[0009]上述方案中，当雪崩检测反相器检测到雪崩电流后，第一步快速开启由第一PMOS管M
P1
、第二PMOS管M
P2
组成的低电源电压淬灭支路进行低压淬灭，第二步经淬灭信号电平移位器升压后开启由第三PMOS管M
P3
、第四PMOS管M
P4
组成的高电源电压淬灭支路并断开低电源电压淬灭支路，进行高压淬灭，最终达到保障快速淬灭响应速度的情况下兼容对SPAD大额外偏置电压的要求。
[0010]优选的，所述低压支路关闭模块包括反相器和与非门；
[0011]所述反相器的输入端作为低压支路关闭模块的输入端接单稳态电路的输出端，输出端分别接与非门的第一输入端、作为低压支路关闭模块的第一输出端接第一PMOS管M
P1
的栅极、作为低压支路关闭模块的第三输出端；所述与非门的输出端作为低压支路关闭模块的第二输出端接第五PMOS管M
P5
的栅极，第二输入端接延迟模块的第二输出端。
[0012]优选的，所述负载电阻为NMOS管M
N1
；所述NMOS管M
N1
的漏极接SPAD的阳极，源极接地，栅极接外部输入的直流电压Vb。
[0013]优选的，所述雪崩检测反相器由低电源电压供电，具备低翻转阈值，用于将雪崩信号转换为数字负脉冲输出。
[0014]优选的，所述延迟模块为同相延迟模块。
[0015]优选的，初始状态下，SPAD的阳极经由NMOS管M
N1
连接到地，第二PMOS管M
P2
、第四PMOS管M
P4
和NMOS管M
N2
保持关断，第一PMOS管M
P1
和第五PMOS管M
P5
保持开启。
[0016]优选的，单光子雪崩二极管淬灭与复位电路的淬灭过程包括低压淬灭阶段和高压淬灭阶段。
[0017]优选的，低压淬灭阶段具体为：当光信号激发SPAD并使其雪崩击穿时，SPAD输出大电流脉冲经由NMOS管M
N1
转换为电压脉冲，SPAD阳极电平开始升高，由雪崩信号检测反相器将雪崩信号转换为数字负脉冲输出，即低压淬灭信号，低压淬灭信号直接开启第二PMOS管M
P2
，此时第一PMOS管M
P1
、第二PMOS管M
P2
均开启形成低电源电压淬灭支路，快速进行低压淬灭，将SPAD阳极电位加速上拉。
[0018]优选的，高压淬灭阶段具体为：在低压淬灭阶段将SPAD阳极电位加速上拉后，雪崩信号检测反相器的输出经淬灭信号电平移位器升压，在无法避免的延迟后开启第四PMOS管M
P4
，此时第三PMOS管M
P3
、第四PMOS管M
P4
均开启形成高电源电压淬灭支路，并断开低电源电压淬本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具备快速响应的单光子雪崩二极管淬灭与复位电路，其特征在于，包括SPAD、负载电阻、NMOS管M
N2
、雪崩检测反相器、第一PMOS管M
P1
、第二PMOS管M
P2
、第三PMOS管M
P3
、第四PMOS管M
P4
、第五PMOS管M
P5
、淬灭信号电平移位器、复位信号电平移位器、延迟模块、单稳态电路和低压支路关闭模块；所述SPAD的阴极接外部输入的反偏电压，阳极经由负载电阻接地，阳极还分别接雪崩检测反相器的输入端、NMOS管M
N2
的漏极、第二PMOS管M
P2
的漏极和第四PMOS管M
P4
的漏极；所述雪崩检测反相器的输出端分别接延迟模块的输入端和第二PMOS管M
P2
的栅极，以及经由淬灭信号电平移位器接第四PMOS管M
P4
的栅极；所述延迟模块的第一输出端接单稳态电路的输入端；所述单稳态电路的输出端接低压支路关闭模块的输入端，以及经由复位信号电平移位器分别接NMOS管M
N2
的栅极和第三PMOS管M
P3
的栅极；所述第一PMOS管M
P1
的源极接外部输入的低电源电压，漏极接第二PMOS管M
P2
的源极，栅极接低压支路关闭模块的第一输出端；所述第三PMOS管M
P3
的源极接外部输入的高电源电压，漏极接第四PMOS管M
P4
的源极；所述第五PMOS管M
P5
的源极接低电源电压，漏极接延迟模块的输入端，栅极接低压支路关闭模块的第二输出端；所述低压支路关闭模块的第三输出端作为单光子雪崩二极管淬灭与复位电路的输出端。2.根据权利要求1所述的一种具备快速响应的单光子雪崩二极管淬灭与复位电路，其特征在于，所述低压支路关闭模块包括反相器和与非门；所述反相器的输入端作为低压支路关闭模块的输入端接单稳态电路的输出端，输出端分别接与非门的第一输入端、作为低压支路关闭模块的第一输出端接第一PMOS管M
P1
的栅极、作为低压支路关闭模块的第三输出端；所述与非门的输出端作为低压支路关闭模块的第二输出端接第五PMOS管M
P5
的栅极，第二输入端接延迟模块的第二输出端。3.根据权利要求1所述的一种具备快速响应的单光子雪崩二极管淬灭与复位电...

【专利技术属性】
技术研发人员：李显博，唐超，周燕贤，王东航，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：