CN103148950A - 一种集成门控主动式淬火恢复电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集成门控式淬火恢复电路，包括快速检测电路、脉冲产生电路、像素控制电路、淬灭及复位电路，其中快速检测电路将检测到的SPAD（单光子雪崩二极管）阳极电流信号处理成脉冲信号，经脉冲产生电路输出，像素控制电路由脉冲产生电路的输出信号和门控信号控制，像素控制电路的输出分别控制复位及淬灭电路，复位及淬灭电路的输出回馈至SPAD的阳极，控制SPAD的复位和淬灭，本发明采用门控式的控制方法可以有效地减小SPAD暗计数率；脉冲产生电路可控制淬灭时间；本发明还具有面积紧凑和低功耗的优点。

Description

一种集成门控主动式淬火恢复电路

技术领域

本发明涉及单光子探测技术领域中的一种光子飞行时间测量的集成单光子高速高灵敏检测电路。

背景技术

单光子检测是近年来发展起来的一项新兴的探测技术。它可以应用于生物芯片检测、医疗诊断、非破坏性物质分析、天文观测、国防军事、光谱测量、量子电子学等领域，并在其中扮演着重要角色。单光子探测器在一些新兴高科技领域内的重要工程价值，已得到越来越充分的体现。

基于半导体雪崩光电二极管（APD）的单光子探测器具有量子效率高、功耗低、全固态、体积小、工作电压低、磁场不敏感等优点，是一种目前应用最广泛的单光子探测器件。限于暗（背景）噪声的影响，通常恒定工作在偏置电压低于反向击穿电压下，即所谓线性模式的雪崩光电二极管，其仅有较小雪崩增益，不具有单光子探测能力。而工作在偏置电压高于反向击穿电压的过偏压下，即所谓盖革模式的雪崩光电二极管，过偏压使其雪崩倍增区形成强电场，当单个光子入射产生的载流子进入雪崩倍增区时，会以一定的概率触发雪崩倍增（增益>106），使单光子电流在皮秒时间量级上升至较易检测的大电流（毫安量级），具有单光子探测性能。在这种工作模式下能实现单光子探测的雪崩光电二极管被称为单光子雪崩二极管(SPAD)。因为半导体雪崩击穿具有自持行为特性，当SPAD长时间处于雪崩状态时其工作性能和可靠性将会受到损害，所以需要采用一种良好控制SPAD偏置状态的淬火恢复电路，在SPAD雪崩发生后能够迅速地使雪崩电流淬灭并把SPAD恢复到等待探测状态。

依据应用要求和SPAD特性的不同，淬火电路各有特点，常见的有四种：被动淬火电路、主动淬火电路、主被动混合式淬火电路、以及门控式淬火电路。

图1所示为门控式淬火电路结构原理示意图，其中Vb为SPAD的反向击穿电压，Vdc为直流偏压略低于Vb，Vex为过偏压。直流电压Vdc通过电感连接到SPAD的阴极，SPAD的阳极通过检测电阻Rs接地。门控信号通过电容耦合到SPAD的阴极，当门控信号为低时，SPAD的偏置电压略低于反向击穿电压，SPAD处于等待状态；当门控信号为高时，SPAD的偏置电压高于反向击穿电压，SPAD处于待检测状态。在门控内的SPAD待测状态下，当光子到达时且门控信号为高，SPAD吸收光子产生瞬态雪崩大电流并在检测电阻上产生足够的电压脉冲供后级电压检测电路处理。脉冲结束后，门控信号为低，淬灭SPAD。

图1中门控淬火电路采用大电容C1和电感耦合L1，不适合集成实现。除此以外，该门控淬火电路只能用于准确知道光子到达时间的情况下，如果不知道光子到达的准确时间，就不能控制淬灭时间，可能导致SPAD损坏。此外，门控淬火电路工作时，门控信号会通过SPAD的寄生电容耦合到SPAD的阳极干扰信号检测。为了抑制干扰引起的误计数，必须提高幅度检测器的阈值。然而，提高检测阈值将使光子到达到幅度检测器检测到电压信号所用的延迟时间增大，从而显著地降低了光子到达时间的检测精度。

图2所示为主动淬火电路结构示意图，SPAD的阴极直接接入直流电压Vpower，Vpower电压值略大于SPAD反向击穿电压。SPAD的阳极通过一个较小的感应电阻Rs接地。放大器的输入端接到SPAD的阳极，输出端接脉冲发生器，脉冲发生器的输出端接SPAD的阳极，组成控制环路。当光子到达后，SPAD吸收光子产生大的雪崩电流，经检测电阻转化为电压，并经放大器放大使脉冲发生器产生高电平脉冲输出。同时高电平脉冲反馈回SPAD的阳极，使SPAD的反偏电压低于反向击穿电压以淬灭SPAD。

与图1门控淬火电路相比，图2主动淬火电路可以有效地控制淬灭时间，保证SPAD可靠工作；另一方面，主动淬火电路的噪声很小，幅度检测器可以使用较低阈值，提高光子到达时间的检测精度。但是，主动淬火电路长时间处于待检测状态，可能会损害SPAD，可靠性难以保证。而且，主动淬火电路的等待时间较短，会明显提高SPAD的暗计数率和后脉冲概率。

基于以上分析可见，现有技术中的淬火恢复电路存在以下不足：

（1）噪声大：现有门控淬火恢复电路中，门控信号会通过探测器SPAD的寄生电容耦合到探测器的阳极，产生噪声

（2）可靠性低：现有主动淬火电路可以精确的控制探测器的淬灭时间，但是光子到达时间不明确，无法控制探测器的工作时间，若没有光子到达，探测器会长时间处于工作状态，探测器有击穿危险，极易损毁探测器，而且主动淬火电路的关断时间较短，误计数概率很大。

（3）精度低：现有技术大都由分立器件组成，其寄生效应严重，会极大影响的测量精度。

（4）功耗与面积大：现有的门控淬火恢复电路需要大电感和大电容等大功耗器件，同时这类器件面积很大无法应用于像素阵列中。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是为了克服现有门控淬火电路的不足，提高检测精度，提出一种集成门控主动式淬火恢复电路，综合主动淬火电路和门控淬火电路的主要优点，改进两种电路结构存在的不足，使其可兼顾SPAD工作可靠性与检测灵敏度的共同需求，能够有效地控制等待时间，解决了减小后脉冲概率及光学串扰的问题。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案为：

一种集成门控主动式淬火恢复电路，包括快速检测电路、脉冲产生电路、像素控制电路、淬灭电路及复位电路，其中快速检测电路将检测到的单光子雪崩二极管SPAD阳极电流信号处理成脉冲信号，经脉冲产生电路输出至像素控制电路；所述像素控制电路由脉冲产生电路的输出信号和外部输入的门控信号控制，其中所述门控信号的优先级高于脉冲产生电路的输出信号；像素控制电路产生的控制信号分别输出至复位电路、淬灭电路，所述复位电路、淬灭电路的输出回馈至单光子雪崩二极管SPAD的阳极，控制单光子雪崩二极管SPAD的复位和淬灭。

所述快速检测电路包括检测电阻和幅度检测器，其中检测电阻阻值小于等于100千欧姆，所述检测电阻将单光子雪崩二极管SPAD阳极电流信号转化为电压信号，经幅度检测器处理后输出脉冲信号；所述幅度检测器为高速比较器或反相器；所述快速检测电路阈值电压在0.5V到1V之间，响应时间在100ps到1ns之间。

所述像素控制电路包括触发器和逻辑门电路，外部门控信号分别作为触发器和逻辑门的输入信号。

所述脉冲产生电路为单稳态电路。

相对于现有技术，本发明具备的优点和有益效果：

(1) 通过像素控制电路隔离了门控信号和SPAD阳极的交流通路，减小了检测噪声。

(2) 门控模式与主动淬灭相结合可以精确的控制淬灭时间和等待时间，从而减小暗计数和后脉冲概率并提高SPAD的可靠性。

(3) 通过降低阈值电压可以提高检测效率，还可以有效地减小从光子到达到幅度检测器检测到电压信号所用的时间，从而提高光子到达时间的检测精度。

(4) 通过使用高速比较器，减小了被检测信号的传输延迟，进一步提高光子到达时间的检测精度。

(5) 去除大电感和大电容等器件，减小电路面积，更容易应用于阵列型集成单光子检测电路中，具备面积紧凑和低功耗的特点。

附图说明

图1为背景技术的传统门控淬火电路。

图2为背景技术的传统主动淬火电路。

图3为本发明的集成门控主动式淬火恢复电路框图。

图4为本发明的集成门控主动式淬火恢复电路图。

图5为本发明的集成门控主动式淬火恢复电路的门控时序工作图。

图6为本发明的集成门控主动式淬火恢复电路的仿真波形。

图7为本发明的单稳态电路的电路图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图3所示，本发明包括：快速检测电路、脉冲产生电路、像素控制电路、淬灭及复位电路，SPAD的阴极接高压偏置电源Vpower，快速检测电路将检测到的SPAD阳极电流信号处理成脉冲信号，经脉冲产生电路输出至像素控制电路，同时产生输出信号STOP供下级电路应用，所述像素控制电路由脉冲产生电路的输出信号和门控信号EN控制，像素控制电路的输出分别控制复位及淬灭电路，复位及淬灭电路的输出回馈至SPAD的阳极，控制SPAD的复位和淬灭。

本发明提出的集成门控主动式淬火恢复电路如图4所示，快速检测电路由检测电阻和幅度检测器组成，其阈值电压一般在0.5V到1V之间，响应时间一般在100ps到1ns之间；检测电阻用于将电流信号转化为电压信号，可以根据实际应用来调整其阻值，一般为小于等于100千欧姆，检测电阻由电阻Rs和导通后的NMOS管NM组成，电阻Rs通过NMOS管NM接地；幅度检测器由高速比较器或反相器组成，本实施例幅度检测器由反相器INV1实现，反相器INV1的反转电压较低，响应时间很短；脉冲产生电路的触发方式与前级的幅度检测器有关，前级的幅度检测器为同相时，其为高电平触发，前级的幅度检测器为反相时，其为低电平触发，本实施例脉冲产生电路由单稳态触发器实现，其输入为下降沿触发，输出为低电平脉冲；像素控制电路由一个D触发器和一个与门组成；SPAD的阴极接高压偏置电源Vpower，其阳极分别接电阻Rs、反相器INV1的输入端和PMOS管PM的漏极，反相器INV1输出端接单稳态电路，单稳态电路输出端与D触发器的复位端相连，同时通过反相器INV2输出STOP信号，D触发器的D脚接高电平VDD，门控信号EN连接D触发器的时钟触发脚 ，D触发器的输出与门控信号EN分别接与门的两个输入端，与门的输出端分别接PMOS管PM的栅极和NMOS管NM的栅极，组成控制环路；PMOS管PM和NMOS管NM用来控制SPAD的复位与淬灭。

本发明的单稳态触发器选择如图7所示的单向下跳变沿触发的单稳态电路，由两个与非门中间依次串接反相器、两个D触发器组成，第一与非门输入一端连接单稳态触发信号Trig，另一端与第二与非门的输出信号连接，第一与非门的输出依次通过反相器、两个D触发器连接第二与非门的一个输入端，第二与非门的另一个输入端连接第一与非门的输出，第一与非门的两个输入信号在稳态下始终保持反相位关系，因此稳态时输出始终保持为高电平。当输入Trig点电压由1跳变到0时，由于延时单元D触发器D1、D触发器D2的存在，第二与非门输出会短暂的保持低电平，即出现单稳态，该单稳态电路采用与非门而不是异或门，原因在于选择性地进入低电平的暂稳态。从AQC电路应用需求看，只需单方向的下跳变沿触发进入暂稳态，故此选择与非门控制。

所述应用实例的门控设置分析如图5所示，图中的时间并未严格按比例给出，只是用以说明各时序关系：门控信号En是周期为1kHz的窄脉冲,即1000μs，窄脉冲宽度为10ns-10μs可调节，

1)、控制门控信号EN为低电平，使SPAD工作在低于雪崩击穿点少许的反偏电压下，SPAD为截止Off time状态。处于该状态SPAD即使有光子入射也不会产生mA量级的雪崩电流。此阶段可用于后续电路对淬火恢复电路输出结果的处理。

2)、截止状态完成，门控信号接收上升沿信号，启动SPAD工作，工作过程如下：

(1)、首先，SPAD即刻转换为工作于雪崩击穿点加过偏压的反偏电压下，进入导通on time状态，即待测状态，淬火恢复电路开始计数；

(2)、外部主控系统与此同时或延迟确定时间启动激光光子发射，后续电路工作并记下光子的发射时间；

(3)、减小门控窄脉冲宽度，设置门控脉冲。

(4)、光子到达后，SPAD雪崩击穿，电流迅速上升至mA量级，此时，淬火恢复电路输出STOP信号给后续电路，后续电路记下光子到达时间并计算中间时间。

本发明电路中淬火与门控的作用：

(1)、淬火作用

在门控结构中，当处于盖革模式下的SPAD检测到单光子信号后，电流在几十皮秒的时间内迅速由静态下的nA量级上冲到mA量级，此延时远小于时间分辨率，对计时误差影响可忽略。但此时如无淬火电路，虽然传感触发信号的产生仍然正常，SPAD电流仍长时间停留在峰值水平而影响可靠性，因此淬火电路的关键作用是将SPAD中的峰值大电流快速淬灭。SPAD工作在两个反向偏置下，一个是近似截止的off状态，另一个是高于击穿电压点对应的待测状态，两者之间的反偏电压相差为Vex，淬火电路的作用就是将雪崩偏置电压下降Vex后进入off状态，SPAD电流由感应的峰值电流下降到截止反偏电流nA量级。

(2)、门控影响

SPAD工作的两种偏置状态，包括淬火后的电流状态，与门控有关。当采用门控状态时，盖革模式的较大电流偏置被限定在门控窄脉冲时间内，因此需要与后续启动计数时序同步(或相关)，并且对门控脉冲宽度有最优要求，其余时间为截止低电流偏置，并且当检测光子后的淬火控制最终进入此截止模式，系统具有低功耗的特性；

结合图4分析所述应用实例的工作原理：当门控信号En的上升沿到来时，D触发器触发输出为高，门控信号EN与D触发器输出逻辑“与”后输出为高，NMOS管NM导通，PMOS管PM关断，SPAD复位。SPAD复位后，淬火电路工作在待检测状态。当SPAD接收到光子时，电阻Rs上的电压上升，产生一个电压脉冲。反相器INV1会检测到这个脉冲，并输出低电平脉冲给单稳态电路，然后，单稳态电路触发输出低电平脉冲，一方面经反相器产生输出信号，另一方面使D触发器复位，输出置低。接着，与门置低，PMOS管PM导通，NMOS管NM关断，淬灭SPAD。当SPAD在门控信号En有效后未接收到光子时，输出在门控信号En下降沿到来后置高。

图6为所述应用实例通过Cadence的仿真波形，第一条曲线为门控信号En，它在一段时间内有效，根据具体应用可设在10ns到10μs之间。最后一条曲线Vsen为SPAD阳极电压波形，其内直线代表检测阈值，在门控信号En处于上升沿和下降沿时， SPAD阳极电压Vsen上没有产生噪声信号，消除了馈通噪声；当门控信号En处于上升沿时，第二条波形曲线与门输出电压Vcon同样处于上升沿，使淬火电路复位，SPAD处于待检测状态，此时SPAD阳极电压Vsen由高电平转为低电平。当门控信号En有效的某一时刻光子到来时，SPAD阳极电压Vsen信号开始上升一直到检测阈值，此时后级反相器开始工作，其输出由高置低。由第三、第四和第五条波形曲线所示，单稳态触发信号Trig有效，单稳态电路触发，单稳态电路输出信号OS输出低电平脉冲，后经反相器输出高电平脉冲信号STOP。与此同时，与门输出电压Vcon置低，NMOS管NM关断，PMOS管PM导通，淬灭开始；SPAD阳极电压Vsen迅速上升到高电平，淬灭结束，SPAD进入等待状态。所述应用实例中的D触发器为带RB端复位的上升沿触发D触发器，当CLK输入上升沿且RB输入为高时，D触发器输出端Q等于输入端D，当RB输入为低时，D触发器输出端Q固定为低。

此外，尽管本说明书披露了相应的方法或装置，但是应该指出这些仅仅是说明性的而不应被认为是限制性的，本领域技术人员可以根据本发明的装置和方法进行等同代换等，因此，本发明覆盖包含在所附权利要求字面上或根据等同原则范围内的所有方法或装置。

Claims (5)

1.一种集成门控主动式淬火恢复电路，其特征在于：包括快速检测电路、脉冲产生电路、像素控制电路、淬灭电路及复位电路，其中快速检测电路将检测到的单光子雪崩二极管SPAD阳极电流信号处理成脉冲信号，经脉冲产生电路输出至像素控制电路；所述像素控制电路由脉冲产生电路的输出信号和外部输入的门控信号控制，其中所述门控信号的优先级高于脉冲产生电路的输出信号；像素控制电路产生的控制信号分别输出至复位电路、淬灭电路，所述复位电路、淬灭电路的输出回馈至单光子雪崩二极管SPAD的阳极，控制单光子雪崩二极管SPAD的复位和淬灭。

2.根据权利要求1所述的一种集成门控主动式淬火恢复电路，其特征在于：所述快速检测电路包括检测电阻和幅度检测器，其中检测电阻阻值小于等于100千欧姆，所述检测电阻将单光子雪崩二极管SPAD阳极电流信号转化为电压信号，经幅度检测器处理后输出脉冲信号；所述幅度检测器为高速比较器或反相器。

3.根据权利要求1所述的一种集成门控主动式淬火恢复电路，其特征在于：所述快速检测电路阈值电压在0.5V到1V之间，响应时间在100ps到1ns之间。

4.根据权利要求1所述的一种集成门控主动式淬火恢复电路，其特征在于：所述像素控制电路包括触发器和逻辑门电路，外部门控信号分别作为触发器和逻辑门的输入信号。

5.根据权利要求1所述的一种集成门控主动式淬火恢复电路，其特征在于：所述脉冲产生电路为单稳态电路。

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