【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于模拟集成电路，具体涉及一种单光子雪崩光电二极管等效电路及其方法。
技术介绍
1、雪崩光电二极管(avalanche photon diode,apd)作为一种新型光电探测器，在激光测距成像、光通信等领域得到广泛地应用。工作在盖革模式下的apd(geiger-modeavalanche photon diode,gm-apd)和单光子雪崩光电二极管(single photon avalanchediode,spad)探测器具备单光子探测能力，能够直接输出数字脉冲信号，具有探测效率高、体积小、维护方便等优点。
2、有关于spad的研究，首先需要对二极管进行建模，然后对其进行本身的直流仿真来和实际的spad器件电流-电压特性进行对比，保证模型本身的合理性和可行性，最后将模型置于相关的淬灭电路中进行仿真，观察雪崩过程，不断调整器件参数拟合实际曲线。为了使spad与后续的淬灭电路混合仿真，提高淬灭电路设计的准确性，需要一个精确的spad电路仿真模型。作为一种新型非线性光电探测器，其具有非常复杂的动态及非线性变化特性，精确模型的建立存在较大的难度，其次该探测器雪崩时间极短只有几个纳秒，其特性精确测试也较为复杂。但精确的模型是电路设计的前提，为电路的仿真和性能评估提供必要的验证手段，故提高建模精度至关重要。
3、目前，由于工艺线上并没有成熟的电路模型可直接调用，所以设计人员一般都使用一个等效电路模型进行替代。传统的spad简易等效电路模型如图1所示，该模型主要描述了spad的二极管特征，包含了单向导通特性
4、目前还有一种增强型spad等效电路模型，如图2所示，该模型增加了压控开关strig和流控开关sself用来模拟spad探测器的激发、自我保持和自我淬灭。采用一个小电阻rx与压控开关sself配合，实现雪崩保持的功能。同时采用开关s1确保spad模型仅在盖革模式下触发。流经spad器件的电流短时间内迅速增加到毫安量级，当电流流经rx时，使其上的电压脉冲触发开关sself闭合。此时，即便电压控制开关strig断开，开关sself也会一直闭合实现spad的自我保持过程。淬灭时，spad的反偏电压会下降导致雪崩电流降低，当雪崩电流低于阈值电流i时，即rx上的电压降低至维持开关的阈值，则开关sself断开，从而实现了spad的淬灭。最重要的是，该模型采用verilog-a描述i-v特性曲线，来替代简易模型中的vbr和rd。然而，这种增强型spad等效模型仍然难以精确表征spad的雪崩状态，仍不能很好地模拟spad工作在线性区的静态特性并有效解决收敛性问题，同时，也无法解决spad结电容随spad外加电压变化的问题。
技术实现思路
1、本专利技术旨在提供一种单光子雪崩光电二极管等效电路及其方法，采用电流控制开关来表征spad的雪崩状态，来提供更精确的雪崩电流控制。采用abm器件建立一个精确的随外加电压变化的spad结电容模型，来解决spad结电容随spad外加电压变化的问题，还可以利用verilog-a建模对spad的光电流进行分段建模，解决仿真中不收敛的问题。
2、为了解决上述问题，本专利技术提出一种单光子雪崩光电二极管等效电路及其方法，技术方案如下：
3、采用电流控制开关s1结构来表征spad的雪崩状态，电流控制开关s1的导通电阻为1ω，断开电阻为100mω。当光子脉冲入射单元vphoton的电平由低电平转化为高电平时，此时表示光子入射到spad上，光电流产生单元gvalue会根据此时spad两端的偏压计算电流，当该电流值高于电流控制开关s1的阈值电流时，电流控制开关s1闭合，模拟雪崩状态发生。spad淬灭后，通过gvalue单元产生的电流会随着反偏电压的降低而降低，直至降低到电流控制开关s1的阈值电流以下，此时电流控制开关s1打开，表示spad淬灭结束。
4、在光电流产生方面，本专利技术采用光电流产生单元gvalue，该模型是一个电压输入电流输出的模型，其传递函数是一个可自定义的函数，并且可以代替spad的iv特性曲线，当光子脉冲入射单元vphoton的电平由低电平转化为高电平时，此时表示光子入射到spad上，光电流产生单元gvalue会根据此时spad两端的偏压计算电流，并且光电流产生单元gvalue的光电流，其大小等于光子脉冲入射单元vphoton与spad的i-v特性函数的乘积，当该电流值高于电流控制开关s1的阈值电流时，电流控制开关s1闭合，模拟雪崩状态发生。
5、在spad的结电容方面，本专利技术采用pspice软件中的abm器件，建立一个精确的随外加电压变化的spad结电容模型。分别采用abm器件中的加法器、乘法器、常数输出单元和数学函数器件，描述结电容随外加电压变化的情况。
6、在本专利技术的第一方面，本专利技术提供了一种单光子雪崩光电二极管等效电路，包括雪崩状态模拟电路、寄生电容和随电压变化的结电容模型；所述寄生电容c1的第一端、所述雪崩状态模拟电路的第一端与模拟阳极端相连，并与所述结电容模型的第一端相连；所述寄生电容c1的第二端、所述结电容模型的第二端、所述雪崩状态模拟电路的第二端与模拟阴极端相连。
7、在本专利技术的第二方面，本专利技术还提供了一种单光子雪崩光电二极管等效方法，其采用了本专利技术第一方面的等效电路，所述方法包括：
8、雪崩状态模拟电路模拟雪崩状态；
9、当单光子雪崩光电二极管等效电路进行淬灭时，结电容和寄生电容放电，使得单光子雪崩光电二极管等效电路两端的反偏电压下降，直至淬灭结束；
10、当单光子雪崩光电二极管等效电路淬灭结束时，雪崩状态模拟电路向单光子雪崩光电二极管等效电路两端提供的反偏电压上升，并向结电容和寄生电容充电，将单光子雪崩光电二极管等效电路复位。
11、本专利技术的有益效果：
12、本专利技术提供了一种单光子雪崩光电二极管等效电路及其方法，本专利技术采用电流控制开关来表征spad的雪崩状态，用来提供更精确的雪崩电流控制。为了解决spad结电容随spad外加电压变化的问题，本专利技术采用abm器件建立一个精确的随外加电压变化的spad结电容模型，该结电容模型能大大提升仿真的精度。
本文档来自技高网...【技术保护点】
1.一种单光子雪崩光电二极管等效电路，其特征在于，包括雪崩状态模拟电路、寄生电容和随电压变化的结电容模型；所述寄生电容C1的第一端、所述雪崩状态模拟电路的第一端与模拟阳极端相连，并与所述结电容模型的第一端相连；所述寄生电容C1的第二端、所述结电容模型的第二端、所述雪崩状态模拟电路的第二端与模拟阴极端相连。
2.根据权利要求1所述的一种单光子雪崩光电二极管等效电路，其特征在于，还包括第四电阻，所述第四电阻的第一端与模拟阳极端相连，所述第四电阻的第二端接地，并与所述结电容模型的第一端相连，所述第四电阻R4为淬灭电路中的采样电阻。
3.根据权利要求1所述的一种单光子雪崩光电二极管等效电路，其特征在于，所述雪崩状态模拟电路包括：光子脉冲入射单元Vphoton、光电流产生单元GVALUE、电流控制开关S1、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第一电压源V1和第二电压源V2；
4.根据权利要求3所述的一种单光子雪崩光电二极管等效电路，其特征在于，所述光电流产生单元GVALUE的电压输入电流输出传递函数可自定义，且等效于所述单光子雪崩光电二极管等效电路
5.根据权利要求3所述的一种单光子雪崩光电二极管等效电路，其特征在于，所述第一电阻R1表示淬灭电路中的串联淬灭电阻，所述第一电压源V1表示单光子雪崩光电二极管等效电路的反偏偏置电压；所述第二电阻R2表示单光子雪崩光电二极管等效电路的内部电阻，所述第二电压源V2表示单光子雪崩光电二极管等效电路的击穿电压。
6.根据权利要求1所述的一种单光子雪崩光电二极管等效电路，其特征在于，所述单光子雪崩光电二极管等效电路的结电容模型还包括：第一加法器A1、第一乘法器M1、第二加法器A2、第一常数输出单元B1、第二常数输出单元B2、第一数学函数器件D1、第二数学函数器件D2、第三数学函数器件D3和第二电容C2；
7.根据权利要求6所述的一种单光子雪崩光电二极管等效电路，其特征在于，所述第二电容C2为结电容的初始电容。
8.一种单光子雪崩光电二极管等效方法，其采用如权利要求1～7任一所述的单光子雪崩光电二极管等效电路，其特征在于，所述方法包括：
9.根据权利要求8所述的一种单光子雪崩光电二极管等效方法，其特征在于，所述雪崩状态模拟电路模拟雪崩状态包括：当光子脉冲入射单元的电平由低电平转换为高电平时，光子入射到单光子雪崩光电二极管等效电路中；光电流产生单元根据单光子雪崩光电二极管等效电路两端的偏压计算光电流，当光电流高于电流控制开关的阈值电流时，电流控制开关闭合，模拟雪崩状态。
10.根据权利要求8所述的一种单光子雪崩光电二极管等效方法，其特征在于，所述当单光子雪崩光电二极管等效电路进行淬灭时，结电容和寄生电容放电，使得单光子雪崩光电二极管等效电路两端的反偏电压下降，直至淬灭结束包括：当单光子雪崩光电二极管等效电路进行淬灭时，单光子雪崩光电二极管等效电路的结电容和寄生电容通过第二电阻放电，使得单光子雪崩光电二极管等效电路两端的反偏电压下降，导致光电流产生单元产生的光电流降低，直至降低到电流控制开关的阈值电流以下，电流控制开关打开，淬灭状态结束。
...【技术特征摘要】
1.一种单光子雪崩光电二极管等效电路，其特征在于，包括雪崩状态模拟电路、寄生电容和随电压变化的结电容模型；所述寄生电容c1的第一端、所述雪崩状态模拟电路的第一端与模拟阳极端相连，并与所述结电容模型的第一端相连；所述寄生电容c1的第二端、所述结电容模型的第二端、所述雪崩状态模拟电路的第二端与模拟阴极端相连。
2.根据权利要求1所述的一种单光子雪崩光电二极管等效电路，其特征在于，还包括第四电阻，所述第四电阻的第一端与模拟阳极端相连，所述第四电阻的第二端接地，并与所述结电容模型的第一端相连，所述第四电阻r4为淬灭电路中的采样电阻。
3.根据权利要求1所述的一种单光子雪崩光电二极管等效电路，其特征在于，所述雪崩状态模拟电路包括：光子脉冲入射单元vphoton、光电流产生单元gvalue、电流控制开关s1、第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3、第一电压源v1和第二电压源v2；
4.根据权利要求3所述的一种单光子雪崩光电二极管等效电路，其特征在于，所述光电流产生单元gvalue的电压输入电流输出传递函数可自定义，且等效于所述单光子雪崩光电二极管等效电路的电流电压特性函数，所述光电流产生单元gvalue的光电流为光子脉冲入射单元vphoton的脉冲宽度与所述单光子雪崩光电二极管等效电路的电流电压特性函数的乘积。
5.根据权利要求3所述的一种单光子雪崩光电二极管等效电路，其特征在于，所述第一电阻r1表示淬灭电路中的串联淬灭电阻，所述第一电压源v1表示单光子雪崩光电二极管等效电路的反偏偏置电压；所述第二电阻r2表示单光子雪崩光电二极管等效电路的内部电阻，所述第二电压源v2表示单光子雪...
【专利技术属性】
技术研发人员：宋珂，严纲，廖轰，李铁虎，
申请(专利权)人：中电科芯片技术集团有限公司，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。