CN102538988B - 一种单光子雪崩二极管成像器件的淬灭与读出电路 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的是提供一种单光子雪崩二极管成像器件的淬灭与读出电路，由淬灭电路、保持电路、读出电路三个模块组成，该电路设有用来产生与入射光子信号同频率的脉冲信号的淬灭电路、用来产生与淬灭输出同频率不同相位的复位信号的保持电路以及用来对淬灭输出脉冲信号进行计数处理并以线性和对数方式输出的读出电路。利用淬灭电路对光子入射后的雪崩二极管进行淬灭处理，产生与入射光子同频率的脉冲信号输出，直接送入读出电路，读出电路根据外加信号的控制，选择以线性或者对数方式输出最终结果，同时对淬灭输出脉冲加以延时保持频率不变改变相位，作为控制淬灭启动或终止的复位信号。
Description
技术领域
本发明涉及一种单光子雪崩二极管成像器件的淬灭与读出电路。该电路能快速实现对雪崩大电流的淬灭以及入射光子的精确计数，整体电路集成度高，具有极高的探测灵敏度，输出动态范围广，可直接利用于现有成熟的CMOS
APS成像器件的架构构造大规模阵列，大大提高器件的分辨率。
背景技术
近几十年，基于电荷耦合器件（CCD，Charge Coupled
Device）和CMOS有源像元图像传感器（CMOS
APS，Active Pixel Sensor）的传统成像技术取得了很大的进步，但随着量子信息技术的发展，传统成像技术的成像速度和像素灵敏度遭遇了巨大挑战。越来越多的领域需要探测和处理极弱的高频光信号，光子探测逐渐成为国内外研究的热点。
目前使用最多的是基于雪崩二极管的单光子探测器（SPAD），虽然也存在着其他类型的单光子探测技术，比如光电倍增管和超导单光子探测器，但是由于光电倍增管的探测效率极低，已经极少有人在使用；而超导单光子探测器，需要体积庞大、操作繁琐且价格昂贵的超低温冷却系统，所以难以在实际应用中使用。相比较而言，基于雪崩二极管的单光子探测器具有体积小、便于系统集成、不需要超低温而只需要普通热电制冷以及成本低等众多优势，因具有单光子探测灵敏度、皮秒量级响应速度、高增益系数、对电离辐射和磁场不敏感、工作电压低以及结构紧凑等优点而倍受关注。
雪崩光电二极管（APD）是一种带有内部增益的光电探测器件。在APD中，由吸收光子产生的光电流可以像光电倍增管那样在内部得到放大，所以常用于接收弱光功率的场合。APD的基本结构如图1所示，其本质还是一个二极管，对光电流的放大实际上是基于电离碰撞效应，产生类似雪崩的现象。在一定条件下，二极管吸收光子后，电子和空穴迅速获得足够的能量而被加速，能够与晶格发生碰撞而产生新的电子空穴对，这个过程形成一种连锁反应，结果由光吸收产生的一对电子空穴对可以形成大量的电子空穴对而构成较大的二次光电流，从而APD具有较高的响应度。
一个高性能的光子探测系统一般具有电路集成度高、输出动态范围大、功耗低和灵敏度等优点。光通信系统在成像技术方面的应用，对基于雪崩二极管的单光子探测器（SPAD）的性能提出了严格的要求。
第一，探测器的响应速度要快，以满足通信系统传输的信息速率越来越高的要求。目前光通信系统的传输速率一般为几百兆比特，单模光纤通信的传输速率更已达几干兆比特。这就要求SPAD要有足够快的响应速度，才能将信号提取出来。所以除了对直接接收光子的APD器件本身再优化，最好的方法就是在紧接着APD后面的淬灭电路和读出电路上提高速度。
第二，探测器引入的附加噪声要小。光信号到达接收端时由于各种传输过程中的损耗已经变得十分微弱，噪声相对较大，所以噪声会对信号会产生重要的影响。而在光电转换过程中，由SPAD所引入的任何附加噪声，都必将会被后面的放大线路进一步放大而不可能被消除，严重影响系统性能，因此希望由光电探测器引入的附加噪声越小越好。从工作机理分析，探测器的附加噪声小，即要求光电探测器的暗电流和泄漏电流以及并联电导越小越好。另外，由于APD本身具有内部增益，则要求这种增益的机理应当是尽可能无噪声的。
第三，探测器的性能要比较稳定，对环境条件不敏感。一般而言探测器的性能，如灵敏度、噪声、内增益等，都是随着周围温度的变化而改变的。为了使探测器能稳定正常地工作，在许多应用中都加有温度补偿措施，如果SPAD对外界环境不敏感，这种补偿措施则可得到简化。
第四，针对不同的应用环境对SPAD还有一些要求。如对模拟光通信系统，希望探测器的输出线性要好，否则在解调信号时会引起失真；对高像素成像系统，希望探测器的输出动态范围要大，最好使用对数形式输出可以记录更多信息。探测器的结构尺寸要小，便于封装，和后面电子线路的联结要方便；为了使用方便，还要求探测器的供电电源尽可能简单，电源电压尽可能低，电流尽可能小等。
关于SPAD系统的探测特性，简而言之，即APD工作在盖革模式下，工作电压高于雪崩电压阈值，基于碰撞电离和雪崩倍增的物理机制而具有高达105~107的内部增益，需要通过外加淬灭电路来抑制热载流子或外部光子入射激发的雪崩。当探测到一个光子时，SPAD系统产生一个持续时间很短的电压脉冲，因此在特定时间内，由SPAD产生的电压脉冲的数量和照射在SPAD上光子的信息量是成比例变化的。
传统的淬灭电路一般分为被动式和主动式两种。被动式淬灭是在APD的阴极串联一个大电阻，这样雪崩电流将在电阻两端产生一个大的压降，APD两端偏压因此降低至雪崩阈值电压之下，雪崩电流关断。这种模式的特点是设计简单，但是电阻占面积太大，而且需要将电流转化为电压才能控制雪崩二极管，所以淬灭时间相对较长。在现代技术中一般使用主动式淬灭，图2给出了传统的主动式淬灭电路的示意图，其响应速度相对于被动式要快很多，但传统的主动式淬灭电路是利用电压比较器来控制淬灭开关和复位开关，也不可避免的要使用到大电阻。
目前已经实现的几种SPAD成像的方法中，较成熟的便是利用APD与淬灭电路的阵列。该阵列主要目的是实现对入射光子引发雪崩电流的处理，最后输出一个电压脉冲代表入射光子的信息，所以只要再与一个记录电压脉冲信号的高速数字数据存储系统相接便可实现基本功能。可以推算，一个SPAD系统需要使用一个数字计数器和一个APD相连，如果再做扩展还要用到地址译码器等芯片，由于APD器件本身比一般的淬灭和读出电路要大并且占用更大的面积，如图3，所以这种方法成本太高，再加上外围的计数器译码器等，明显占用了太大面积。
综上所述，为一个高性能的单光子雪崩二极管成像系统设计一个响应速度快、集成度高的淬灭和读出电路十分必要。对该电路的要求是：高速的单光子探测要求淬灭在几个纳秒的时间内完成，对于入射光子的捕捉即精度要达到99%以上；计数电路要能够对淬灭产生的高频电压脉冲进行锁存计数，其响应速度必须很高，对该高速计数电路的面积也要控制。
发明内容
技术问题：本发明针对单光子雪崩二极管成像系统提出了一种新颖的淬灭与读出电路。主要用于探测光子信息并进行统计，分别由淬灭电路、保持电路、读出电路三个模块组成，每一模块都可单独提出使用，整个电路结构只使用MOS器件和电容实现。淬灭电路采用本发明改进后的主动式淬灭，保持电路对淬灭后的输出脉冲信号进行保持和延时送入前端进行计数控制，输出电路采用全新的电容电路设计对信号进行存取控制。本发明电路能快速实现线形和对数两种方式的动态输出，具有极高的探测灵敏度，整体电路集成度高。
技术方案：本发明是一个单光子雪崩二极管成像器件的淬灭与读出电路，由淬灭电路、保持电路、读出电路三个模块组成。
淬灭电路由4个PMOS管（ MR1、M1、M2、M3）和1个NMOS管（M4）构成，雪崩光电二极管（APD）的输出信号分三条支路引入淬灭电路。第一路与M2的漏端相连，M2采用栅、漏短接式连接，源端经由M1后连接至系统高电平vdd；第二路引至M3和M4的栅端，M3和M4构成的反相器的输出端即淬灭电路的输出Quench_out；第三路引至MR1的漏端，MR1的源端与vdd相连，栅端加信号Quench_reset。
保持电路由4个PMOS管（MQ1、MQ2、MQ3、MQ4）、4个NMOS管（MN1、MN2、MN3、MN4）和1个电阻（R）、1个电容（C1）构成。MQ1和MN1构成反相器inv1，MQ2、MQ3和MN2、MN3构成与非门nand2，MQ4和MN4构成反相器inv2。电阻与电容串联后，电容C1的另一端接地信号gnd，电阻R的另一端与inv1的输出端并联接至nand2的一个输入端，nand2的另一个输入端接RC1串联的连结点，nand2的输出端接inv2的输入端。inv1的输入端即保持电路的输入端，加信号Quench_out后，得到保持电路的输出为inv2的输出信号Quench_reset。
读出电路由5个PMOS管（MR2、MQS、MQ5、MQ6、MQ7）、5个NMOS管（MNS、MN5、MN6、MN7、MS）和1个电容（C2）构成。MR2的栅端接输入信号Readout_reset，与C2并联后源端接高电平vdd，漏端分三条支路引出。第一路接至MQS的源端，MQS的漏端与MQ5的源端相连，MQ5、MQ6和MQ7串接，分别都采用衬、源连接，其中MQ5和MQ6均采用栅、漏短接式连接，MQ7的栅端外接输入信号Quench_out；第二路引至MNS的漏端，MNS源端与MN5漏端相连，MN5的栅端加偏置信号vbias，源端接MN6漏端，MN6栅端也接输入Quench_out；第三路接MN7的栅端，其源端与MS的漏端相连，作为读出电路的输出端out，MS的栅端接输入信号switch2。MQS与MNS的栅端相连，接输入信号switch1；MQ7的漏端、MN6和MS的源端接gnd。
需要说明的是：
（1）在淬灭电路、保持电路和读出电路中用到的MOS管，除了MQ5、MQ6和MQ7，所有PMOS管的衬底与高电平vdd相连，NMOS管的衬底与地信号gnd相连，MQ5、MQ6和MQ7采用衬、源连接主要是为了消除衬偏影响，使读出结果更准确。
（2）淬灭电路中，当APD探测到一个入射光子（Photon）时，如果入射光子的电压值超过vbreak，APD迅速发生雪崩，雪崩电流流过M1和M2。由于在初始状态，节点A被设置在高电平vdd，此时M2和M3构成P沟道电流镜，将雪崩电流按比例复制到M3和M4构成的反相器上。雪崩电流迅速增大，则输出电压Quench_out迅速减小，导致M1的沟道电阻增大，节点A的电位随之降低。为了将电路恢复到初始状态，对MR1管加信号Quench_reset进行复位控制。
由工作原理分析可以确定，本发明使用的是主动式淬灭方案。晶体管M1、M2和M3构成正反馈电路加速了淬灭的过程，而M3和M4在逻辑上构成的反相器也进一步提高了淬灭速度。输出信号Quench_out将M2管关断时正反馈行为终止，实现了对雪崩电流的减弱，对APD的快速淬灭完成。在参数设置方面，为了在淬灭速度上获得最好的性能，所有的晶体管应尽量采用最小宽长比，以减小寄生电容的影响。
（3）保持电路实际上是一个单触发振荡器，由输入信号的高低转换产生一个延时（∆t），输入信号与输出信号的差异只是相位上存在该延时。本发明的保持电路使用到最基本的与非门和反相器，每一个门电路的传输延迟都可暂时忽略，整个电路的∆t主要由电阻和电容参数决定。
本发明的保持电路是为淬灭电路服务，对淬灭信号Quench_out进行处理，得到同步的Quench_reset信号给电路进行淬灭过程的控制，优势在于保持电路信号的严谨性。因此，在实际应用中，是否需要使用保持电路可以视情况而定，如果能够确定入射光子的频率，则也可以直接给定Quench_reset。
（4）本发明的读出电路设计了一种新颖的计数方式，利用电容可以充放电的特征，对电容上存储的电荷量进行监测，从而记录下探测到的光子的数量。这种设计方式能够利用普通的CMOS显像读出电路读出，并且该模拟电路占面积很小，可以提高整体电路的集成度。同时还提供了线性和对数两种读出方式，预计探测光子数量较少时可采用线性模式，当光子数量较多时采用对数方式可以很大程度上增大读出动态范围。
Readout_reset信号控制着读出过程的启动和中断，电容C2两端的电压降Vcap初始被置于高电平vdd。如果Quench_out端没有光子的信号到达，MQ7和MN6则处于关断状态，Vcap保持不变；而每当有光子信号脉冲到达Quench_out端时，C2则开始放电，且每次损耗的电量都相等。由于每个光子消耗的电荷量相同，所以在一段时间内C2上的电压改变值∆Vcap与这段时间内PAD探测到的光子的数量呈比例。
电路中的开关管MQS和MNS无法同时导通，switch1信号决定了光子信号送入哪一条支路处理。当switch1信号为高电平时，MQS导通MNS关断，光子信号脉冲送入MQ7栅端，MQ5和MQ6都工作于亚阈值区，此时可以得到对数形式的输出信号；当switch1信号为低电平时，MQS关断MNS导通，光子信号脉冲送入MN6栅端，vbias 通过MN5产生一个电流信号进行放电，此时可以得到线性形式的输出信号。
MN7与MS构成源极跟随器，将前文的输出信号读出。作为拓展，对MS栅端加可控信号switch2。switch2的信号值使得MS工作于饱和区时，可以正常输出out；switch2的信号值将MS断开时，out的电位保持，这一点可以利用在成像阵列中，以阵列的位线或字线需求为准，后端还可再接多路选择器继续输出。
简而言之，本发明的电路能快速实现对雪崩二极管的淬灭与读出过程，能够精确计数，可以在线性和对数两种输出方式中自由转换，具有极高的探测灵敏度，整体电路集成度高。
有益效果：本发明所述的单光子雪崩二极管成像器件的淬灭和读取电路，相对于现有已发明的各种电路结构，主要存在以下几个突出的优点：
（1）电路结构简单，功耗低。本发明电路利用单光子雪崩二极管探测到光子会发生雪崩的特性进行工作，在正常工作状态下消耗极小，有利于移动设备的低功耗要求。
（2）响应速度快，探测精度高。本发明的优势之一是淬灭速度快，能及时探测到任何一个光子并加以统计，在晶体管的本征频率限额上进行最大限度的开发，提高了探测灵敏度。
（3）动态范围大，输出有线性和对数两种模式。本发明利用晶体管的亚阈值区特性进行设计，结合数学原理，巧妙的使光子探测能力的上限上升了至少两个数量级，很好的提升了电路的性能。
（4）占芯片面积小，易于集成。本发明的电路共使用了23支晶体管、2块电容和1支电阻，晶体管基本都采用工艺所允许的最小宽长比尺寸，电路性能要求电容越小越好，电阻只有一两百欧姆的量级，相较于传统电路，本发明电路采用的电子元件占面积很小，能更好的提高集成度。
（5）模块化设计，移植性和通用性强。淬灭电路、保持电路和读出电路每一部分都可单独提出使用或再优化，可直接利用现有成熟的CMOS
APS成像器件的阵列架构和外围的读出控制电路。
附图说明
图1是APD的基本结构。
图2是传统的主动式淬灭电路的示意图。
图3是SPAD系统的布局示意图。
图4是本发明的单光子雪崩二极管成像器件的淬灭与读出电路。
图5是本发明所用的改进后的主动式淬灭电路的示意图。
图6是雪崩二极管的基本电路模型。
图7和图8是本发明的单光子雪崩二极管成像器件的淬灭与读出电路的一个实施例的仿真结果，分别截取了对数计数和线性计数方式显示。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明的工作原理及工作过程作进一步说明。
参看图4，本发明采用淬灭电路对光子（Photon）入射后的雪崩二极管（PAD）进行淬灭处理，淬灭输出是一个脉冲信号直接送入读出电路，读出电路根据外加信号的控制选择以线性或者对数方式输出结果，同时对淬灭输出信号加以延时保持频率不变，作为控制淬灭启动或终止的复位信号。
淬灭电路，用来产生与入射光子同频率的脉冲信号Quench_out，在雪崩二极管被击穿前迅速降低内部电流，保护二极管不被损坏。
保持电路，用来产生与Quench_out同频率不同相位的信号Quench_reset，送入淬灭电路以达到同步控制淬灭过程的目的。
读出电路，用来产生最终的计数输出结果，对淬灭输出Quench_out进行计数处理，并将结果以线性和对数两种方式选择性输出。
淬灭电路由PMOS管MR1、M1、M2、M3和NMOS管M4构成，雪崩光电二极管（APD）的输出信号分三条支路引入淬灭电路。第一路与M2的漏端相连，M2采用栅、漏短接式连接，源端经由M1后连接至系统高电平vdd；第二路引至M3和M4的栅端，M3和M4构成的反相器的输出端即淬灭电路的输出Quench_out；第三路引至MR1的漏端，MR1的源端与vdd相连，栅端加信号Quench_reset。
保持电路由PMOS管MQ1、MQ2、MQ3、MQ4、NMOS管MN1、MN2、MN3、MN4和电阻R、电容C1构成。MQ1和MN1构成反相器inv1，MQ2、MQ3和MN2、MN3构成与非门nand2，MQ4和MN4构成反相器inv2。电阻与电容串联后，电容C1的另一端接地信号gnd，电阻R的另一端与inv1的输出端并联接至nand2的一个输入端，nand2的另一个输入端接RC1串联的连结点，nand2的输出端接inv2的输入端。inv1的输入端即保持电路的输入端，加信号Quench_out后，得到保持电路的输出为inv2的输出信号Quench_reset。
读出电路由PMOS管MR2、MQS、MQ5、MQ6、MQ7、NMOS管MNS、MN5、MN6、MN7、MS和电容C2构成。MR2的栅端接输入信号Readout_reset，与C2并联后源端接高电平vdd，漏端分三条支路引出。第一路接至MQS的源端，MQS的漏端与MQ5的源端相连，MQ5、MQ6和MQ7串接，分别都采用衬、源连接，其中MQ5和MQ6均采用栅、漏短接式连接，MQ7的栅端外接输入信号Quench_out；第二路引至MNS的漏端，MNS源端与MN5漏端相连，MN5的栅端加偏置信号vbias，源端接MN6漏端，MN6栅端也接输入Quench_out；第三路接MN7的栅端，其源端与MS的漏端相连，作为读出电路的输出端out，MS的栅端接输入信号switch2。MQS与MNS的栅端相连，接输入信号switch1；MQ7的漏端、MN6和MS的源端接gnd。
参看图2和图5，图5是本发明所用的改进后的主动式淬火电路的概念示意图，相较于传统的主动式淬火，本发明的淬火电路省去了大电阻和比较器的设计，在保证淬灭速度的前提下很大程度的提高了电路的集成度。
本发明还提出了一种全新的读出计数方式。参看图5，在读出电路中，利用电容可以充放电的特征，考虑到每一个淬灭输出信号脉冲消耗的电荷量相等，对电容上两端的电压降进行监测，从而记录下探测到的光子的数量。相较于一般的CMOS成像阵列中采用大面积的数字计数器和译码器作读出，本发明计数电路其复杂度和成本都大大降低。
同时在读出电路中提供了线性和对数两种读出方式，当探测光子数量较少时可采用线性模式，当光子数量较多时采用对数方式，这一点也拓展了本发明电路的动态范围，在实际工程应用中更具有优势。
本发明针对单光子的雪崩二极管成像进行淬灭和读出电路的设计，所以必然要求能够准确捕捉到每一个光子信号，因此对整体电路的速度提出要求。因此，本发明电路中用到的晶体管几乎都采用最小宽长比尺寸设计以减小寄生电容值，电容和电阻值的选取在保证延时τ=RC尽量小的前提下，以晶体管的特征频率值为基准进行参考设计。
实施例
基于smic 0.13um nor flash工艺对本发明电路进行了仿真验证，为保证仿真结果的精确度，对于雪崩二极管采用图6所示的电路模型代替，该电路模型的参数如表1所示。
表1 模型参数
参数
物理定义
取值
C0 阴极（cathode）与阳极（anode）之间的电容 500fF
C1 阴极（cathode）与衬底之间的电容
500fF
C2
阳极（anode）衬底之间的电容
500fF
RS 二极管在不稳定态的关断电阻 250ohm
Vbreak
二极管的雪崩阈值电压
12V
T 模拟光子的能量发生能导致二极管雪崩
闭合—2.5V
断开—0.1V
图7和图8给出了整体电路的仿真结果，分别列出了入射光子信号photon、二极管阳极节点A的信号nodeA和读出信号Out。由仿真结果可以看出：本发明电路能够快速实现淬灭和读出，淬灭时间耗时大约2个纳秒；在同样的入射信号和测试时间内，对数计数方式的读出结果其电压降比线性计数方式小了一半，也就是读出电路的动态范围得到了很大提高；本发明电路可以根据实际要求在线性和对数两种输出方式间快速切换。
Claims (1)
1.一种单光子雪崩二极管成像器件的淬灭与读出电路，其特征是该电路设有用来产生与入射光子信号同频率的脉冲信号的淬灭电路、用来产生与淬灭输出同频率不同相位的复位信号的保持电路以及用来对淬灭输出脉冲信号进行计数处理并以线性和对数方式输出的读出电路；
所述的淬灭电路由第一复位PMOS管（MR1）、第一淬灭PMOS管（M1）、第二淬灭PMOS管（M2）、第三淬灭PMOS管（M3）和第四淬灭NMOS管（M4）构成；雪崩光电二极管（APD）的输出信号分三条支路引入淬灭电路，第一路引至第二淬灭PMOS管（M2）的漏端，第二淬灭PMOS管（M2）采用栅、漏短接式连接，源端经第一淬灭PMOS管（M1）后连接至系统高电平vdd；第二路引至第三淬灭PMOS管（M3）和第四淬灭NMOS管（M4）的公共栅端，第三淬灭PMOS管（M3）和第四淬灭NMOS管（M4）构成的反相器的输出端即淬灭电路的输出Quench_out；第三路引至第一复位PMOS管（MR1）的漏端，第一复位PMOS管（MR1）的源端与vdd相连，其栅端需外加信号Quench_reset；
所述的保持电路由第一保持PMOS管（MQ1）、第二保持PMOS管（MQ2）、第三保持PMOS管（MQ3）、第四保持PMOS管（MQ4）、第一保持NMOS管（MN1）、第二保持NMOS管（MN2）、第三保持NMOS管（MN3）、第四保持NMOS管（MN4）和电阻（R）、第一电容（C1）构成；第一保持PMOS管（MQ1）和第一保持NMOS管（MN1）构成第一反相器（inv1），第二保持PMOS管（MQ2）、第三保持PMOS管（MQ3）和第三保持NMOS管（MN3）、第四保持NMOS管（MN4）构成第二与非门（nand2），第四保持PMOS管（MQ4）和第四保持NMOS管（MN4）构成第二反相器（inv2）；电阻（R）与第一电容（C1）串联后，第一电容（C1）的另一端接地信号gnd，电阻（R）的另一端与第一反相器（inv1）的输出端并联接至第二与非门（nand2）的一个输入端，第二与非门（nand2）的另一个输入端接电阻（R）与第一电容（C1）串联的连结点，第二与非门（nand2）的输出端接第二反相器（inv2）的输入端；第一反相器（inv1）的输入端即保持电路的输入端，加信号Quench_out后，得到保持电路的输出即为第二反相器（inv2）的输出信号Quench_reset；
所述的读出电路由第二复位PMOS管（MR2）、第一开关PMOS管（MQS）、第五读出PMOS管（MQ5）、第六读出PMOS管（MQ6）、第七读出PMOS管（MQ7）、第二开关NMOS管（MNS）、第五读出NMOS管（MN5）、第六读出NMOS管（MN6）、第七读出NMOS管（MN7）、第三开关NMOS管（MS）和第二电容（C2）构成；第二复位PMOS管（MR2）的栅端接输入信号Readout_reset，与第二电容（C2）并联后源端接高电平vdd，漏端分三条支路引出，第一路引至第一开关PMOS管（MQS）的源端，第一开关PMOS管（MQS）的漏端与第五读出PMOS管（MQ5）的源端相连，第五读出PMOS管（MQ5）、第六读出PMOS管（MQ6）和第七读出PMOS管（MQ7）串接，分别都采用衬、源连接，其中第五读出PMOS管（MQ5）和第六读出PMOS管（MQ6）均采用栅、漏短接式连接，第七读出PMOS管（MQ7）的栅端外接输入信号Quench_out；第二路引至第二开关NMOS管（MNS）的漏端，第二开关NMOS管（MNS）的源端与第五读出NMOS管（MN5）的漏端相连，第五读出NMOS管（MN5）的栅端加偏置信号vbias，源端接第六读出NMOS管（MN6）漏端，第六读出NMOS管（MN6）栅端也接输入Quench_out；第三路引至第七读出NMOS管（MN7）的栅端，其源端与第三开关NMOS管（MS）的漏端相连，作为读出电路的输出端out，其栅端接输入信号switch2；第一开关PMOS管（MQS）与第二开关NMOS管（MNS）的栅端相连，接输入信号switch1；第七读出PMOS管（MQ7）的漏端、第六读出NMOS管（MN6）和第三开关NMOS管（MS）的源端接公共地信号gnd。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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Families Citing this family (32)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102820365A (zh) * | 2012-08-22 | 2012-12-12 | 上海交通大学 | 半导体红外上转换单光子探测设备及方法 |
| US9677931B2 (en) | 2013-04-24 | 2017-06-13 | Koninklijke Philips N.V. | Detection of radiation quanta using an optical detector pixel array and pixel cell trigger state sensing circuits |
| US9312401B2 (en) * | 2014-01-15 | 2016-04-12 | Omnivision Technologies, Inc. | Single photon avalanche diode imaging sensor for complementary metal oxide semiconductor stacked chip applications |
| CN103780852A (zh) * | 2014-02-17 | 2014-05-07 | 苏州超锐微电子有限公司 | 一种应用于单光子探测器的淬灭和信号读取电路 |
| CN104198058B (zh) * | 2014-08-05 | 2017-06-06 | 清华大学 | 单光子雪崩二极管的淬灭和读出电路 |
| CN104677511B (zh) * | 2015-02-09 | 2017-08-15 | 中国计量学院 | 一种具有阀值自动控制功能的单光子计数鉴别器电路 |
| CN105698826B (zh) * | 2016-01-25 | 2018-03-09 | 天津大学 | 一种应用于盖革模式apd探测器的有源淬火电路 |
| CN107024286A (zh) * | 2016-01-29 | 2017-08-08 | 苏州超锐微电子有限公司 | 应用于单光子探测器的控制电路与阵列架构 |
| JP6598302B2 (ja) * | 2016-02-10 | 2019-10-30 | 国立研究開発法人情報通信研究機構 | 信号処理回路 |
| KR102641558B1 (ko) * | 2016-03-04 | 2024-02-28 | 소니그룹주식회사 | 고체 촬상 소자, 구동 방법, 및 전자 기기 |
| CN106330312B (zh) * | 2016-08-31 | 2018-11-02 | 中国人民解放军信息工程大学 | 一种水下的可见光通信方法、装置及系统 |
| CN106411299B (zh) * | 2016-09-27 | 2019-03-05 | 杭州电子科技大学 | 一种高速单光子雪崩二极管淬灭复位电路 |
| CN106712752B (zh) * | 2016-12-09 | 2023-09-26 | 南京邮电大学 | 一种用于单光子雪崩二极管探测器的淬灭复位电路 |
| CN107063452B (zh) * | 2017-04-07 | 2018-07-20 | 电子科技大学 | 一种单光子雪崩光电二极管电容淬灭电路 |
| CN107063453B (zh) * | 2017-04-07 | 2018-08-10 | 电子科技大学 | 一种负载可变的单光子雪崩光电二极管淬灭电路 |
| CN107222694B (zh) * | 2017-04-24 | 2020-07-14 | 深圳大学 | 一种低像素尺寸的单光子cmos图像传感器像素电路 |
| CN107271058B (zh) * | 2017-06-27 | 2023-08-01 | 浙江九州量子信息技术股份有限公司 | 一种高速自反馈的单光子探测淬火控制电路及控制方法 |
| EP3477707B1 (en) | 2017-10-25 | 2021-05-05 | STMicroelectronics (Research & Development) Limited | Control circuit and method of operating a control circuit |
| JP7039310B2 (ja) | 2018-02-09 | 2022-03-22 | キヤノン株式会社 | 光電変換装置及び撮像システム |
| JP7089390B2 (ja) * | 2018-03-30 | 2022-06-22 | キヤノン株式会社 | 光電変換装置及びその駆動方法 |
| CN109374139B (zh) * | 2018-08-22 | 2020-06-16 | 南京邮电大学 | 一种单光子飞行时间检测电路及测量方法 |
| CN108874020B (zh) * | 2018-08-27 | 2020-01-03 | 东南大学 | 一种电流模式阵列spad增益均匀性自适应控制电路 |
| CN109459149A (zh) * | 2018-10-11 | 2019-03-12 | 桂林电子科技大学 | 一种高精度单光子探测芯片实时温度测量及性能优化系统 |
| EP3657679B1 (en) * | 2018-11-21 | 2023-07-12 | ams International AG | Electric circuit arrangement to determine a level of an excess bias voltage of a single photon avalanche diode |
| US10715756B1 (en) * | 2019-01-28 | 2020-07-14 | Pixart Imaging Inc. | Image sensor employing avalanche diode |
| CN110061727B (zh) * | 2019-03-26 | 2020-04-21 | 杭州电子科技大学 | 单光子雪崩二极管探测器的快速淬灭/复位电路及其方法 |
| CN110095626B (zh) * | 2019-04-04 | 2021-09-14 | 上海集成电路研发中心有限公司 | 一种含有高速光电编码器的系统及测试方法 |
| CN111721408B (zh) * | 2020-06-28 | 2021-06-22 | 南京大学 | 一种基于超导纳米线光子探测阵列的电荷积分成像方法 |
| JP2022049838A (ja) * | 2020-09-17 | 2022-03-30 | 株式会社東芝 | 光検出器及び距離測定装置 |
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| CN113054976B (zh) * | 2021-03-05 | 2024-02-09 | 南京大学 | 一种适用于地址编码的spad阵列 |
| CN116678799B (zh) * | 2023-08-03 | 2023-12-26 | 深圳市灵明光子科技有限公司 | 一种颗粒物探测器及颗粒物探测方法 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7361882B2 (en) * | 2005-04-14 | 2008-04-22 | Sensors Unlimited, Inc. | Method and apparatus for providing non-linear, passive quenching of avalanche currents in Geiger-mode avalanche photodiodes |
| CN101789040A (zh) * | 2010-01-27 | 2010-07-28 | 中国科学院上海技术物理研究所 | 盖革模式apd被动淬火与恢复集成电路的设计方法 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8410416B2 (en) * | 2010-04-29 | 2013-04-02 | King Abdulaziz City For Science And Technology | Reduction of delay between subsequent capture operations of a light-detection device |
-
2012
- 2012-02-08 CN CN201210027665.2A patent/CN102538988B/zh active Active
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7361882B2 (en) * | 2005-04-14 | 2008-04-22 | Sensors Unlimited, Inc. | Method and apparatus for providing non-linear, passive quenching of avalanche currents in Geiger-mode avalanche photodiodes |
| CN101789040A (zh) * | 2010-01-27 | 2010-07-28 | 中国科学院上海技术物理研究所 | 盖革模式apd被动淬火与恢复集成电路的设计方法 |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2024083997A1 (en) * | 2022-10-20 | 2024-04-25 | Ams International Ag | Avalanche diode arrangement and method for driving an avalanche diode arrangement |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
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