CN104198058B - 单光子雪崩二极管的淬灭和读出电路 - Google Patents

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本发明涉及单光子雪崩二极管的淬灭和读出电路，该电路有两种实现形式，均包括一个单光子雪崩二极管和三个NMOS管。其中，第一实施例的单光子雪崩二极管的淬灭和读出电路可以包括：第一单光子雪崩二极管、第一NMOS管、第二NMOS管和第三NMOS管，其中，第一单光子雪崩二极管的阴极接正高压偏置电源，第一单光子雪崩二极管的阳极接第一NMOS管的栅极和第二NMOS管的漏极，第一NMOS管的源极和第二NMOS管的源极均与地相连，第二NMOS管的栅极接脉冲信号，第三NMOS管的源极与第一NMOS管的漏极相连，第三NMOS管的栅极接译码信号，第三NMOS管漏极与位线相连。本发明的淬灭和读出电路具有电路结构简单、有利于系统集成、淬灭电路响应速度快、检测精度高、灵活可调、稳定可靠等优点。

Description

单光子雪崩二极管的淬灭和读出电路
技术领域
本发明涉及极微弱光信号检测技术领域，具体涉及一种单光子雪崩二极管(Single Photon Avalanche Diode，SPAD)的淬灭和读出电路。
背景技术
在生物医学、量子成像、激光计测、加密系统以及环境辐射检测等领域中，经常会需要在噪声远远大于有用信号的不利条件下识别并提取出所需信号，这就对极微弱光检测技术提出越来越苛刻的要求。单光子探测技术具有超高灵敏度、超快响应速度等优点，能够检测到光的最小能量粒子——光子，是目前一种较为成熟的探测极微弱光的方法。单个光子的能量极小，仅为10-19～10-18J，要想检测到单光子，就必须采用特殊的光电器件。单光子雪崩二极管，是特指工作电压高于击穿电压的雪崩光电二极管(Avalanche Photo Diode，APD)，也称为盖革模式SPAD。SPAD以其高雪崩增益、快响应速度、低功耗等优点成为单光子探测的最佳器件选择。下面介绍SPAD的工作原理。
SPAD基于碰撞电离和雪崩倍增的物理机制对光电流进行放大，从而提高检测的灵敏度。盖革模式下，SPAD的工作电压大于其雪崩击穿电压，这样能够保证即使单个光子入射激发出的载流子也能引起雪崩效应。激发的载流子漂移进入耗尽层，在SPAD中强电场的作用下，载流子被瞬间加速并获得足够的能量，不断地与晶格发生碰撞，新产生的载流子继续在电场的作用下撞击晶格，又会产生新的载流子，如此连锁反应，使得载流子的数量雪崩式增加，反向电流在纳秒甚至亚纳秒内上升至毫安培量级。然而雪崩是一种自维持行为，SPAD本身并不能自发地将其淬灭。为了保护SPAD，以免器件被大电流损坏，SPAD必须和淬灭电路配合使用，在雪崩发生后迅速将SPAD的偏压降至击穿电压以下，将雪崩淬灭，并快速再将SPAD的偏压拉回击穿电压以上，使得SPAD恢复到待检测光子的状态。因此，每探测到一个单光子，SPAD会倍增输出一个自然离散的电脉冲信号，再利用外围电路实现信号甄别并计数就能将湮没在噪声中的有用信号识别并提取出来。
由此可见，淬灭电路对于SPAD的性能有着重要影响，基本的淬灭电路有被动式淬灭电路、主动式淬灭电路和门控式淬灭电路。
(1)被动式淬灭电路(Passive Quenching Circuit，PQC)
图1所示为被动式淬灭电路原理示意图，其中，用Vb来表示SPAD的反向击穿电压，Vp为略高于Vb的直流偏置电压，采样电阻Rs阻值较小，一般为几十至几百欧姆，淬灭电阻RL阻值较大，一般为几百千欧姆。直流偏置电压Vp通过RL连接到SPAD的阴极，SPAD的阳极通过Rs接地，单光子入射产生的雪崩脉冲信号Vout从Rs上引出。在光子到达之前，SPAD两端电压为Vp，此时处于待检测状态；一旦有光子到达便能触发雪崩，瞬间增大的雪崩电流在RL上引起很大压降，SPAD上的电压被降至击穿电压以下，雪崩被淬灭；之后，Vp又对SPAD充电，使其恢复到待检测状态，继续对下一个光子进行探测。
PQC电路极其简单，像元占空比较高，通常情况下，淬灭电阻必须很大才能够实现淬灭，这就导致SPAD所需的恢复时间较长且难以控制，容易产生后脉冲，另外，SPAD大部分时间均处于强反偏压状态下，器件损坏的几率也较大。由此可见，PQC死区时间太长，最大计数率低，限制了探测器的动态范围和性能，因而PQC仅适用于对探测器工作频率和精度要求不高的场合。
(2)主动式淬灭电路(Active Quenching Circuit，AQC)
为了尽可能缩短恢复时间，人们提出了主动式淬灭电路。图2所示为主动式淬灭电路原理示意图，其中，略高于Vb的直流偏置电压Va与SPAD的阴极直接相连，SPAD的阳极经过采样电阻Rs接地，放大器的正相输入端接SPAD的阳极，反相输入端接阈值电压Vth，放大器的输出驱动脉冲信号发生器，脉冲信号发生器的输出Vout反馈回SPAD的阳极，构成闭合回路。当光子未到达时，SPAD处于待检测状态，当光子到达后，SPAD吸收光子并发生雪崩，雪崩电流经采样电阻Rs后转化为电压信号，该电压信号经放大器放大后驱动脉冲信号发生器，使其输出高电压脉冲信号，反馈给SPAD的阳极，这样就可以将SPAD的偏压降至击穿电压以下，从而将雪崩淬灭，随后SPAD又恢复为雪崩前的状态，等待检测下一个光子。
AQC利用外围电路将雪崩淬灭并使得SPAD恢复至初始状态，可以有效地解决恢复时间过长的问题，但是在AQC中检测到雪崩电流后需要一定的判断时间后才能淬灭掉电流，所以SPAD中大电流持续时间长，不利于功耗和器件寿命，此外，AQC系统也较复杂。
(3)门控式淬灭电路(Gated Quenching Circuit，GQC)
为了防止SPAD长时间工作在强反偏压下，提高探测器的使用寿命，人们提出了门控淬灭电路。如图3所示为门控式淬灭电路原理示意图，其中Vg为低于SPAD反向击穿电压Vb的直流偏置电压，Vpulse为门脉冲信号，Vex为门脉冲的幅度值，并且Vg和Vex的叠加信号高于Vb。偏置电压Vg通过电阻RL连接到SPAD的阴极，SPAD的阳极通过电阻Rs接地，门脉冲信号Vpulse通过电容Cg耦合至SPAD的阴极，输出雪崩电信号Vout从Rs上引出。当Vpulse为0V时，SPAD两端的偏置电压为Vg，此时SPAD处于等待状态，当Vpulse为Vex时，SPAD两端的偏置电压为Vg+Vex，此时SPAD处于待检测状态，光子到达后被SPAD瞬间吸收，并发生雪崩。当门脉冲信号变为0V后，雪崩淬灭，SPAD恢复为等待状态，进入下一个周期。
在GQC中，门脉冲信号Vpulse必须与光子到达时间同步，即GQC只能用于可以事先确定光子到达时间的情况下，此外，只有Vpulse的脉冲宽度大于光脉冲的宽度，探测器才能准确检测到单光子，这样又会限制探测器的最大计数率，GQC的优点在于可以延长SPAD的工作寿命，有效地抑制后脉冲的发生，降低非光子产生暗计数的概率。
基于以上分析可见，现有技术中的淬灭电路还存在以下一些不足：
(1)死区时间长。淬灭电路将雪崩彻底淬灭、恢复至原始状态均需要一定的时间，即死区时间，死区时间过长，会限制探测器的最大计数速率。
(2)精度低。在没有光子到达时，各种噪声也会引发SPAD发生雪崩，并输出雪崩电脉冲，从而导致暗计数，此外，光子到达发生雪崩时俘获的载流子也会由于淬灭不及时在强电场的作用下再释放引起后脉冲，这些都会使得探测器误计数，影响探测精度。
(3)可靠性差。如果没有光子到达，SPAD会长时间工作在强反偏压下，很容易损坏探测器。
(4)功耗和面积大。传统淬灭电路一般采用大尺寸的MOS管或大电阻来提高淬灭速度，有时还会有大电容的存在，功耗大，也会增加单元的版图尺寸，不利于系统集成。
为了克服上述现有技术的缺陷以及应对科技快速发展的需求，亟需设计一种响应速度快、集成度高的淬灭电路。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一或至少提供一种有用的商业选择。为此，本发明提出了一种新颖的单光子雪崩二极管淬灭和读出电路。
根据本发明第一实施例的单光子雪崩二极管的淬灭和读出电路，可以包括：第一单光子雪崩二极管、第一NMOS管、第二NMOS管和第三NMOS管，其中，所述第一单光子雪崩二极管的阴极接正高压偏置电源，所述第一单光子雪崩二极管的阳极接所述第一NMOS管的栅极和所述第二NMOS管的漏极，所述第一NMOS管的源极和所述第二NMOS管的源极均与地相连，所述第二NMOS管的栅极接脉冲信号，所述第三NMOS管的源极与所述第一NMOS管的漏极相连，所述第三NMOS管的栅极接译码信号，所述第三NMOS管漏极与位线相连。
在上述实施例的单光子雪崩二极管的淬灭和读出电路中，所述第一NMOS管、第二NMOS管和第三NMOS管的衬底均与地相连。
在上述实施例的单光子雪崩二极管的淬灭和读出电路中，所述脉冲信号为频率和占空比可调的窄脉冲信号。
根据本发明第二实施例的单光子雪崩二极管的淬灭和读出电路，可以包括：第二单光子雪崩二极管、第四NMOS管、第五NMOS管和第六NMOS管，其中，所述第二单光子雪崩二极管的阳极接负高压偏置电源，所述第二单光子雪崩二极管的阴极接所述第四NMOS管的栅极和所述第五NMOS管的漏极，所述第四NMOS管的源极与地相连，所述第五NMOS管的源极与电源相连，所述第五NMOS管的栅极接脉冲信号，所述第六NMOS管的源极与所述第四NMOS管的漏极相连，所述第六NMOS管的栅极接译码信号，所述第六NMOS管的漏极与位线相连。
在上述实施例的单光子雪崩二极管的淬灭和读出电路中，所述第四NMOS管、第五NMOS管和第六NMOS管的衬底均与地相连。
在上述实施例的单光子雪崩二极管的淬灭和读出电路中，所述脉冲信号为频率和占空比可调的窄脉冲信号。
相对于现有技术，本发明实施例的单光子雪崩二极管的淬灭和读出电路具有如下优点和有益效果：
(1)本发明电路结构简单，仅包含一个SPAD器件和3个NMOS管，且无大尺寸NMOS管电阻，版图面积小，功耗低，可以与CMOS工艺兼容，有利于系统集成。
(2)淬灭电路响应速度快，可以瞬间将SPAD两端电压降至雪崩击穿电压以下，淬灭时间极短，有效地降低了暗计数和后脉冲的概率，提高了检测精度。
(3)本发明可以通过调节脉冲信号WLP的频率和占空比来控制探测器能够检测光子到达的时间。
(4)由于WLP为脉冲信号，探测器不会长时间处于盖革模式下，保证探测器周期性地工作，提高了其可靠性。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是被动式淬灭电路原理示意图；
图2是主动式淬灭电路原理示意图；
图3是门控式淬灭电路原理示意图；
图4是本发明第一实施例的SPAD淬灭和读出电路示意图；
图5是图4所示的SPAD淬灭和读出电路工作时序图；
图6是本发明第二实施例的SPAD淬灭和读出电路示意图；
图7是图6所示的SPAD淬灭和读出电路工作时序图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面结合附图和实施例对本发明的工作原理和工作过程作进一步说明，值得一提的是，下述时序图中的时间并未严格按照比例给出，只是用来说明各个信号之间的时序关系。
图4是本发明第一实施例的SPAD淬灭和读出电路示意图。如图4所示，该实施例的单光子雪崩二极管的淬灭和读出电路，可以包括：第一单光子雪崩二极管SPAD1、第一NMOS管NM0、第二NMOS管NM1和第三NMOS管NM2。
其中，第一单光子雪崩二极管SPAD1的阴极接正高压偏置电源HVP，第一单光子雪崩二极管SPAD1的阳极接第一NMOS管NM0的栅极和第二NMOS管NM1的漏极，第一NMOS管NM0的源极和第二NMOS管NM1的源极均与地GND相连，第二NMOS管NM1的栅极接脉冲信号WLP，第三NMOS管NM2的源极与第一NMOS管NM0的漏极相连，第三NMOS管NM2的栅极接译码信号WLR，第三NMOS管NM2的漏极与位线BL相连。
在上述实施例的单光子雪崩二极管的淬灭和读出电路中，需要说明的是：第一NMOS管NM0、第二NMOS管NM1和第三NMOS管NM2的衬底均与地GND相连。脉冲信号WLP为频率和占空比可调的窄脉冲信号。
在上述实施例的单光子雪崩二极管的淬灭和读出电路中，WLP为一脉冲信号，当其为高电平时，第二NMOS管NM1导通，将A点电压拉为零电位，第一单光子雪崩二极管SPAD1两端偏压变为HVP，工作在盖革模式下，随后，WLP变为低电平，第二NMOS管NM1关断，相当于一个超大电阻，此时若没有光子到达，A点维持零电平，若有光子到达，第一单光子雪崩二极管SPAD1瞬间发生雪崩，雪崩电流在第二NMOS管NM1上会有很大压降，将A点电压抬高，快速将雪崩淬灭，与此同时第一NMOS管NM0导通，由于被选中像素单元的译码信号WLR为高，BL被拉为低电平，从而会被后续电路检测到，之后第一单光子雪崩二极管SPAD1进入下一检测周期，时序图如图5所示。
图6是本发明第二实施例的SPAD淬灭和读出电路示意图。如图6所示，该实施例的单光子雪崩二极管的淬灭和读出电路，可以包括：第二单光子雪崩二极管SPAD2、第四NMOS管NM3、第五NMOS管NM4和第六NMOS管NM5。
其中，第二单光子雪崩二极管SPAD2的阳极接负高压偏置电源HVN，第二单光子雪崩二极管SPAD2的阴极接第四NMOS管NM3的栅极和第五NMOS管NM4的漏极，第四NMOS管的源极与地GND相连，第五NMOS管NM4的源极与电源VDD相连，第五NMOS管NM4的栅极接脉冲信号WLP，第六NMOS管的源极与第四NMOS管NM3的漏极相连，第六NMOS管NM5的栅极接译码信号WLR，第六NMOS管NM5的漏极与位线BL相连。
在上述实施例的单光子雪崩二极管的淬灭和读出电路中，需要说明的是，第四NMOS管NM3、第五NMOS管NM4和第六NMOS管NM5的衬底均与地GND相连。脉冲信号WLP为频率和占空比可调的窄脉冲信号。
在上述实施例的单光子雪崩二极管的淬灭和读出电路中，WLP也是脉冲信号，当其为高电平时，第五NMOS管NM4导通，将B点电压拉为VDD，第二单光子雪崩二极管SPAD2两端偏压变为VDD-HVN，此时第四NMOS管NM3管导通，由于被选中像素单元的译码信号WLR为高，BL被下拉至零电位，随后，WLP变为低电平，第五NMOS管NM4关断，相当于一个超大电阻，此时工作在盖革模式下的第二单光子雪崩二极管SPAD2处于待检测状态，若没有光子到达，B点维持高电平，若有光子到达，第二单光子雪崩二极管SPAD2瞬间发生雪崩，雪崩电流在第五NMOS管NM4上会有很大压降，B点电压降低，快速将雪崩淬灭，与此同时第四NMOS管NM3断开，BL又变为高电平，从而会被后续电路检测到，之后第二单光子雪崩二极管SPAD2进入下一检测周期，时序图如图7所示。
相对于现有技术，本发明实施例的单光子雪崩二极管的淬灭和读出电路具有如下优点和有益效果：
(1)本发明电路结构简单，仅包含一个SPAD器件和3个NMOS管，且无大尺寸NMOS管电阻，版图面积小，功耗低，可以与CMOS工艺兼容，有利于系统集成。
(2)淬灭电路响应速度快，可以瞬间将SPAD两端电压降至雪崩击穿电压以下，淬灭时间极短，有效地降低了暗计数和后脉冲的概率，提高了检测精度。
(3)本发明可以通过调节脉冲信号WLP的频率和占空比来控制探测器能够检测光子到达的时间。
(4)由于WLP为脉冲信号，探测器不会长时间处于盖革模式下，保证探测器周期性地工作，提高了其可靠性。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (6)

1.一种单光子雪崩二极管的淬灭和读出电路，其特征在于，包括：第一单光子雪崩二极管、第一NMOS管、第二NMOS管和第三NMOS管，其中，
所述第一单光子雪崩二极管的阴极接正高压偏置电源，所述第一单光子雪崩二极管的阳极接所述第一NMOS管的栅极和所述第二NMOS管的漏极，所述第一NMOS管的源极和所述第二NMOS管的源极均与地相连，所述第二NMOS管的栅极接脉冲信号，所述第三NMOS管的源极与所述第一NMOS管的漏极相连，所述第三NMOS管的栅极接译码信号，所述第三NMOS管漏极与位线相连。
2.根据权利要求1所述的单光子雪崩二极管的淬灭和读出电路，其特征在于，所述第一NMOS管、第二NMOS管和第三NMOS管的衬底均与地相连。
3.根据权利要求1所述的单光子雪崩二极管的淬灭和读出电路，其特征在于，所述脉冲信号为频率和占空比可调的窄脉冲信号。
4.一种单光子雪崩二极管的淬灭和读出电路，其特征在于，包括：第二单光子雪崩二极管、第四NMOS管、第五NMOS管和第六NMOS管，其中，
所述第二单光子雪崩二极管的阳极接负高压偏置电源，所述第二单光子雪崩二极管的阴极接所述第四NMOS管的栅极和所述第五NMOS管的漏极，所述第四NMOS管的源极与地相连，所述第五NMOS管的源极与电源相连，所述第五NMOS管的栅极接脉冲信号，所述第六NMOS管的源极与所述第四NMOS管的漏极相连，所述第六NMOS管的栅极接译码信号，所述第六NMOS管的漏极与位线相连。
5.根据权利要求4所述的单光子雪崩二极管的淬灭和读出电路，其特征在于，所述第四NMOS管、第五NMOS管和第六NMOS管的衬底均与地相连。
6.根据权利要求4所述的单光子雪崩二极管的淬灭和读出电路，其特征在于，所述脉冲信号为频率和占空比可调的窄脉冲信号。
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