【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及淬灭电路，尤其涉及一种基于cascode结构的混合式高速淬灭电路及方法。
技术介绍
1、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。
2、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。
3、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
4、此外，现有技术中的淬灭电路普遍采用bcd工艺，其内部的mos管可以承受几十伏的高压，而目前工艺库中的mos管的最高耐压值是3.3v，为了承受高的过偏压，必须对现有的淬灭电路进行改进，使其能承受高压。
技术实现思路
1、本专利技术通过提供一种基于cascode结构的混合式高速淬灭电路及方法，采用被动淬灭和可变负载淬灭相结合的方法，通过引入cascode结构解决了现有技术中淬灭和复位时间较长问题，实现了缩短淬灭时间、提高单光子探测响应速度的目的。
2、第一方面，本专利技术提供了一种基于cascode结构的混合式高速淬灭电路，包括：单光子雪崩光电二极管spad、cascode结构单元、延迟保持电路和单稳态电路；
3、所述单光子雪崩光电二极管spad通过所述cascode结构单元触发载流子的雪崩倍增效应实现单个光子的检测，所述单光子雪崩光电二极管spad的阴极电压为其雪崩击穿电压vbreak加过偏压；
4、所述cascode结构单元连接所述单光子雪崩光电二极管spad，所述cascode结构单元让所述单光子雪崩光电二极管spad承受高的过偏压；
5、所述延迟保持电路的输入端连接所述cascode结构单元，所述延迟保持电路的输出端连接所述单稳态电路，所述延迟保持电路在电压控制下产生时间可控的延时时间；
6、所述单稳态电路的输出端连接所述cascode结构单元，所述单稳态电路根据所述延时保持电路产生的触发信号，产生脉冲宽度可调的单脉冲复位信号，向所述cascode结构单元发送复位信号，所述cascode结构单元根据复位信号使得所述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，所述单光子雪崩光电二极管spad恢复到工作状态。
7、基于第一方面，在本专利技术的一个实施例中，所述cascode结构单元包括：第一mos管nm1、第二mos管nm2、第三mos管nm3、第四mos管nm4、第五mos管pm5和第一反相器inv1；
8、所述第一mos管nm1的栅极连接偏置电压vcas，所述第一mos管nm1的漏极连接所述单光子雪崩二极管spad的阳极，所述第一mos管nm1的源极连接所述第二mos管nm2的漏极、所述第三mos管nm3的漏极和所述第一反相器inv1的输入端；
9、所述第二mos管nm2的栅极连接所述第二反相器inv2的输出端，所述第二mos管nm2的漏极连接所述第一mos管nm1的源极和所述第三mos管nm3的漏极，所述第二mos管nm2的源极接地；所述第二mos管nm2的栅极接收到所述第二反相器inv2输出的复位信号时，所述第二mos管nm2导通，使得所述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，所述单光子雪崩光电二极管spad恢复到工作状态；
10、所述第三mos管nm3作为一个被动淬灭电阻，初步用来限制雪崩电流的大小，所述第三mos管nm3的栅极连接到偏置电压vq，所述第三mos管nm3的漏极连接到所述第一mos管nm1的源极、所述第二mos管nm2的漏极和所述第一反相器inv1的输入端；
11、所述第四mos管nm4作为可变负载管，所述第四mos管nm4的栅极连接到所述第五mos管pm5的漏极、所述延迟保持电路的输入端和所述第一反相器inv1的输出端；
12、所述第五mos管pm5的栅极连接所述第三反向器inv3的输出端，所述第五mos管pm5的漏极连接到b点，b点连接所述第一反向器inv1的输出端、所述第四mos管nm4的栅极和所述延迟保持电路的输入端，所述第五mos管pm5的源极接电源电压vdd；
13、所述第一反相器inv1的输入端连接所述第一mos管nm1的源极、所述第二mos管nm2和所述第三mos管nm3的漏极，所述第一反相器inv1的输出端连接所述第五mos管pm5的漏极、所述第四mos管nm4的栅极和所述延迟保持电路的输入端。
14、基于第一方面，在本专利技术的一个实施例中，所述cascode结构单元中当b点电压发生变化时，所述第四mos管nm4的导通电阻发生变化；所述单光子雪崩光电二极管spad一开始的阳极a点电压为零，经过所述第一反相器inv1后，b点电压为高电平，所述第四mos管nm4导通，所述第三mos管nm3和所述第四mos管nm4的支路导通；
15、所述单光子雪崩光电二极管spad触发后，雪崩电流流经所述第三mos管nm3和所述第四mos管nm4的导通支路，所述第三mos管nm3作为被动淬灭电阻，使所述单光子雪崩光电二极管spad的阳极电压迅速提高，所述第一mos本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于Cascode结构的混合式高速淬灭电路，其特征在于，包括：单光子雪崩光电二极管SPAD、Cascode结构单元、延迟保持电路和单稳态电路；
2.根据权利要求1所述的一种基于Cascode结构的混合式高速淬灭电路，其特征在于，所述Cascode结构单元包括：第一MOS管NM1、第二MOS管NM2、第三MOS管NM3、第四MOS管NM4、第五MOS管PM5和第一反相器INV1；
3.根据权利要求2所述的一种基于Cascode结构的混合式高速淬灭电路，其特征在于，所述Cascode结构单元中当B点电压发生变化时，所述第四MOS管NM4的导通电阻发生变化；所述单光子雪崩光电二极管SPAD一开始的阳极A点电压为零，经过所述第一反相器INV1后，B点电压为高电平，所述第四MOS管NM4导通，所述第三MOS管NM3和所述第四MOS管NM4的支路导通；
4.根据权利要求2所述的一种基于Cascode结构的混合式高速淬灭电路，其特征在于，所述第一反相器INV1将A点电压翻转作为所述延迟保持电路的输入信号，所述第一反相器INV1用于检测所述单光子雪崩光
5.根据权利要求2所述的一种基于Cascode结构的混合式高速淬灭电路，其特征在于，所述Cascode结构单元还包括：用于对混合式高速淬灭电路整形的第二反相器INV2和第三反相器INV3；
6.根据权利要求1所述的一种基于Cascode结构的混合式高速淬灭电路，其特征在于，所述延迟保持电路包括：第六MOS管PM6、第七MOS管PM7、第八MOS管NM8、第九MOS管NM9、第四反相器INV4和第一缓冲器BUFF1；
7.根据权利要求1所述的一种基于Cascode结构的混合式高速淬灭电路，其特征在于，所述单稳态电路包括第十MOS管PM10、第十一MOS管PM11、第十二MOS管NM12和第一或非门NOR1；
8.一种基于Cascode结构的混合式高速淬灭方法，其特征在于，包括：
9.根据权利要求8所述的一种基于Cascode结构的混合式高速淬灭方法，其特征在于，所述初始状态具体为：
10.根据权利要求8所述的一种基于Cascode结构的混合式高速淬灭方法，其特征在于，所述雪崩阶段具体包括：
...【技术特征摘要】
1.一种基于cascode结构的混合式高速淬灭电路，其特征在于，包括：单光子雪崩光电二极管spad、cascode结构单元、延迟保持电路和单稳态电路；
2.根据权利要求1所述的一种基于cascode结构的混合式高速淬灭电路，其特征在于，所述cascode结构单元包括：第一mos管nm1、第二mos管nm2、第三mos管nm3、第四mos管nm4、第五mos管pm5和第一反相器inv1；
3.根据权利要求2所述的一种基于cascode结构的混合式高速淬灭电路，其特征在于，所述cascode结构单元中当b点电压发生变化时，所述第四mos管nm4的导通电阻发生变化；所述单光子雪崩光电二极管spad一开始的阳极a点电压为零，经过所述第一反相器inv1后，b点电压为高电平，所述第四mos管nm4导通，所述第三mos管nm3和所述第四mos管nm4的支路导通；
4.根据权利要求2所述的一种基于cascode结构的混合式高速淬灭电路，其特征在于，所述第一反相器inv1将a点电压翻转作为所述延迟保持电路的输入信号，所述第一反相器inv1用于检测所述单光子雪崩光电二极管spad的阳极电压，当阳极电压升到设定的电压阈...
【专利技术属性】
技术研发人员：李迪，宋珂，刘术彬，丁瑞雪，
申请(专利权)人：西安电子科技大学重庆集成电路创新研究院，
类型：发明
国别省市：
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