CN105988497B - 单光子雪崩光电二极管的超额偏压控制系统与方法 - Google Patents

单光子雪崩光电二极管的超额偏压控制系统与方法 Download PDF

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Abstract

一种单光子雪崩光电二极管的超额偏压控制系统与方法，该系统包含：电源供应器，产生供应电压；单光子雪崩光电二极管，具有第一端接收该供应电压，具有第二端产生输出电压信号；控制电路，连接于该单光子雪崩光电二极管的该第二端，其中，该控制电路根据该输出电压信号的变化以及超额偏压电平来产生重置电平；以及负载，具有第一端连接至该单光子雪崩光电二极管的该第二端，具有第二端连接至该控制电路以接收该重置电平。

Description

单光子雪崩光电二极管的超额偏压控制系统与方法
技术领域
本公开为一种二极管的偏压控制系统与方法，且特别涉及一种单光子雪崩光电二极管(single photon avalanche photo diode)的超额偏压控制系统与方法。
背景技术
一般来说，光电检测器(photo detector)根据其操作形式可进一步区分为一般的光电二极管(photo diode、简称PD)、雪崩光电二极管(avalanche photo diode、简称APD)、单光子雪崩光电二极管(single photon avalanche photo diode，简称SPAD)。
请参照图1，其所绘示为各种光电检测器的偏压操作范围及其光增益(opticalgain)示意图。一般的光电二极管PD其操作在逆向偏压(reverse bias)值相对低的区域，因此光增益不高，一个光子最多激发一电子空穴对(electron-hole pair)。
雪崩光电二极管APD操作在线性模式，其工作点电压，或可称之为偏压电压，靠近崩溃电压电平-Vbd，且大于崩溃电压电平-Vbd。亦即，偏压电压的绝对值小于崩溃电压电平-Vbd的绝对值。
单光子雪崩光电二极管SPAD操作在盖格模式(Geiger mode)，其偏压电压小于崩溃电压电平-Vbd，亦即，偏压电压的绝对值大于崩溃电压电平-Vbd的绝对值。例如偏压电压为-(Vbd+Ve)，其中Ve称为超额偏压电平(excess bias level)，且Ve为正值。在高电场操作之下，单光子雪崩光电二极管SPAD的光增益非常大，约在106数量级。
请参照图2，其所绘示为采用电荷泵(charge pump)为供应电压源的单光子雪崩光电二极管SPAD的负载电流Iload变化与超额偏压电平Ve之间的关系图。其中，单光子雪崩光电二极管SPAD与负载(load)串接于供应电压Vop与接地电压之间，且温度保持定值。由图2可知，当负载电流Iload静止时，超额偏压电平Ve最大；当负载电流Iload逐渐增加时，超额偏压电平Ve会随着Vop变小而逐渐降低。再者，由于超额偏压电平Ve会影响到单光子雪崩光电二极管SPAD的灵敏度(sensitivity)，所以当负载电流Iload逐渐增加时，超额偏压电平Ve会逐渐降低，造成单光子雪崩光电二极管SPAD的灵敏度也会逐渐降低。
请参照图3，其所绘示为采用电荷泵为供应电压源的单光子雪崩光电二极管SPAD的温度T变化与超额偏压电平Ve之间的关系图。其中，单光子雪崩光电二极管SPAD与负载串接于供应电压Vop与接地电压之间，且负载电流Iload保持定值。由图3可知，当温度T逐渐上升时，崩溃电压电平Vbd会逐渐增加，导致超额偏压电平Ve会逐渐减少。再者，由于超额偏压电平Ve会影响到单光子雪崩光电二极管SPAD的灵敏度，所以当温度T上升时，超额偏压电平Ve会逐渐降低，造成单光子雪崩光电二极管SPAD的灵敏度也会逐渐降低。
由以上的说明可知，由于崩溃电压电平Vbd以及供应电压Vop皆可能随着操作环境变化，因此如何能够稳定地控制单光子雪崩光电二极管SPAD的偏压电压以及超额偏压电平Ve为一个重要的技术议题。
请参照图4，其所绘示为一般单光子雪崩光电二极管SPAD的偏压调整电路。该偏压调整电路根据参考二极管26的暗计数(dark count)来调整其他二极管的偏压，用以保持固定的超额偏压。
如图4所示，被不透明壳体(enclosed in a light opaque housing)36所遮住的参考二极管26电连接至主动抑制电路(active quenching circuit，简称AQR)44与参考电压源(Vref)之间。再者，门计数器(gated counter)46可在一预定周期(predefined timeperiod)计算暗计数率(dark count rate，简称DCR)。之后，门计数器46根据暗计数率(DCR)输出一第一数字数值至控制器48，使得控制器48根据一查找表来产生一第二数字数值至数字转模拟转换器(digital-to-analog converter，简称DAC)50。而数字转模拟转换器(DAC)50即可据以控制可变电压源52产生一偏压电压Vbias至其他二极管54。
根据以上的说明，一般单光子雪崩光电二极管SPAD的偏压调整电路根据参考二极管26的暗计数率(DCR)来判断崩溃电压的变化，并根据参考二极管其崩溃电压的变化来控制其他二极管54的偏压。再者，一般单光子雪崩光电二极管SPAD的偏压调整电路中，可能需要利用一个被不透明壳体42所遮住的参考二极管26才能完成。
请参照图5，其所绘示为一般单光子雪崩光电二极管SPAD的温度补偿及其控制电路。该温度补偿及其控制电路测量参考二极管58的崩溃电压，并据以调整其他二极管的偏压。
如图5所示，被遮住的参考光电二极管58电连接至再充电电路60。再者，模拟转数字转换器(A/D)62测量被遮住的参考光电二极管58的崩溃电压，并产生第一数字数值至偏压控制回路64。再者，偏压控制回路64产生第二数字数值至数字转模拟转换器(DAC)66，使得数字转模拟转换器(DAC)66即可据以控制可变电压源58产生一偏压电压至其他二极管70。
根据以上的说明，一般单光子雪崩光电二极管SPAD的温度补偿及其控制电路根据被遮住的参考光电二极管58的崩溃电压的变化来控制其他二极管70的偏压。同理，一般单光子雪崩光电二极管SPAD的温度补偿及其控制电路中，也需要利用一个被遮住的参考光电二极管58才能完成。
请参照图6，其所绘示为一般运用于单光子雪崩光电二极管SPAD的温度与负载补偿。该温度与负载补偿根据暗计数率(DCR)及其脉冲宽度来调整数位电荷泵(DCP)的输出电压用以控制单光子雪崩光电二极管SPAD的超额偏压。
如图6所示，温度与负载补偿包括数字电荷泵(DCP)80、单光子雪崩光电二极管SPAD阵列估算器(emulator)82、环境监测器84、FPGA与主机86、以及数字控制振荡器88。
基本上，由于暗计数率(DCR)与脉冲宽度与温度以及超额偏压的变化相关。因此，FPGA与主机86即接收环境监测器84所产生的信号来计算出暗计数率(DCR)与脉冲宽度，并据以控制数字控制振荡器(DCO)88与数字电荷泵(DCP)80来产生供应电压Vop，用以调整单光子雪崩光电二极管SPAD89a～89c的超额偏压。
根据以上的说明，一般单光子雪崩光电二极管SPAD的温度与负载电流补偿根据单光子雪崩光电二极管SPAD 89a～89c的暗计数率(DCR)与脉冲宽度的变化来改变供应电压Vop并进一步调整超额偏压。同理，一般单光子雪崩光电二极管SPAD的温度与负载补偿中，也可能需要利用被遮住的单光子雪崩光电二极管SPAD 89a～89c才能完成。
请参照图7A与图7B，其所绘示为一般高动态范围光检测器及其操作方法40。如图7A所示，高动态范围光检测器包括：PIN二极管112、单光子雪崩光电二极管SPAD 116、感测晶体管114、读取晶体管118以及重置晶体管120。其中，PIN二极管112操作于线性模式且单光子雪崩光电二极管SPAD116操作于盖格模式(Geiger mode)。再者，高动态范围光检测器根据其接收的光通量(light flux)来切换于线性模式或者盖格模式。
再者，如图7B所示，一般高动态范围光检测器会先检测光的状况180。并且，当光大于等于临限值时，则操作在线性模式188，反的操作在盖格模式184。再者，在盖格模式184时，尚未输出饱和186时，则保持在盖格模式184；反之，已经输出饱和186时，则切换至线性模式188。再者，在线性模式188时，当噪声小于等于临限值190时，则切换至盖格模式184；反之，当噪声未小于等于临限值190时，则保持在线性模式188。
上述的高动态范围光检测器需要操作在线性模式与盖格模式之间，因此对应的信号处理电路会相对复杂。
请参照图8，其所绘示为一般环境光检测系统与方法。如图8所示，感测元件200中包括：基板202、发光二极管204、单光子雪崩光电二极管SPAD阵列206、滤镜208、校准滤镜210、透镜209、211与红外线可通过的棕色窗212。再者，单光子雪崩光电二极管SPAD阵列206中更区分为：表面未加工的单光子雪崩光电二极管SPAD(Raw SPAD)，亦即第一型无衰减像素214；表面为红外线可通过的单光子雪崩光电二极管SPAD，亦即第二型无衰减像素216；以及表面为不透光金属的单光子雪崩光电二极管SPAD，亦即有衰减像素218。
在感测元件200的运作上，当亮度大于临限值的高亮度环境下，可利用有衰减像素218来进行测量。反之，当亮度低于临限值的低亮度环境下，即利用无衰减像素214与216来进行测量。
基本上，上述感测元件200需要额外的校正电路(calibration circuit)用于修正有衰减像素218以及无衰减像素214与216之间的不匹配，以避免感测元件200在运作上可能会遭遇到不准确的问题。
发明内容
本公开提出一种单光子雪崩光电二极管的超额偏压控制系统与方法。利用全新的控制系统电路架构，用以较精确地控制超额偏压，并且可藉由控制超额偏压以达成具备高动态范围的成像器(imager)。
本公开提出一种单光子雪崩光电二极管的超额偏压控制系统，包含：电源供应器，产生供应电压；单光子雪崩光电二极管，具有第一端接收该供应电压，具有第二端产生一输出电压信号；控制电路，连接于该单光子雪崩光电二极管的该第二端，其中，该控制电路根据该输出电压信号的变化以及超额偏压电平来获得重置电平；以及负载，具有第一端连接至该单光子雪崩光电二极管的该第二端，具有第二端连接至该控制电路用以接收该重置电平。
本公开提出一种单光子雪崩光电二极管的超额偏压控制方法，该单光子雪崩光电二极管的第一端连接至电源供应器，该单光子雪崩光电二极管的第二端产生输出电压信号，负载的第一端连接至该单光子雪崩光电二极管的该第二端，该负载的第二端接收重置电平；该超额偏压控制方法包括下列步骤：控制该单光子雪崩光电二极管操作在盖格模式；当该单光子雪崩光电二极管产生光电流时，监测该输出电压信号的电压变化，并根据该电压变化与超额偏压电平来产生重置电平；以及将该重置电平提供至该负载的第二端。
为了对本公开的上述及其他方面有更佳的了解，下文特举其一实施范例，并配合附图，做详细说明如下：
附图说明
图1所绘示为各种光电检测器的偏压操作范围及其光增益示意图。
图2所绘示为单光子雪崩光电二极管SPAD的负载电流Iload变化与超额偏压电平Ve之间的关系图。
图3所绘示为单光子雪崩光电二极管SPAD的温度T变化与超额偏压电平Ve之间的关系图。
图4所绘示为一般单光子雪崩光电二极管SPAD的偏压调整电路。
图5所绘示为一般单光子雪崩光电二极管SPAD的温度补偿及其控制电路。
图6所绘示为一般运用于单光子雪崩光电二极管SPAD的温度与负载电流补偿。
图7A与图7B所绘示为一般高动态范围光检测器及其操作方法。
图8所绘示为一般环境光检测系统与方法。
图9A至图9C所绘示为本公开单光子雪崩光电二极管SPAD检测电路及其相关信号示意图。
图10A与图10B所示为单光子雪崩光电二极管SPAD的超额偏压控制系统的第一实施例及其相关信号示意图。
图11所绘示为本公开单光子雪崩光电二极管SPAD的超额偏压控制系统的第二实施例。
图12所绘示为本公开单光子雪崩光电二极管SPAD的超额偏压控制系统的第三实施例。
图13所绘示为本公开单光子雪崩光电二极管SPAD的超额偏压控制系统的第四实施例。
图14所绘示为本公开单光子雪崩光电二极管SPAD的超额偏压控制系统的第五实施例。
图15所绘示为第五实施例的详细电路图。
图16所绘示为本公开单光子雪崩光电二极管SPAD的超额偏压控制方法。
【符号说明】
26、58：参考光电二极管
36：不透明壳体
44：动作抑制电路
46：门计数器
48：控制器
50、66：数字转模拟器
52、68：可变电压源
54、70：其他二极管
60：再充电电路
62：模拟转数字器
64：偏压控制回路
80：数字电荷泵
82：SPAD阵列估算器
84：环境监测器
86：FPGA与主机
88：数字控制振荡器
112：PIN二极管
114：感测晶体管
116：单光子雪崩光电二极管
118：读取晶体管
180～190：步骤流程
200：感测元件
202：透镜
204：发光二极管
206：单光子雪崩光电二极管SPAD阵列
208、210：滤镜
209、211：透镜
212：红外线可通过的棕色窗
214：第一型无衰减像素
216：第二型无衰减像素
218：有衰减像素
310、350、400、450、500、600：电源供应器
352、402、452、502、602：负载
360、420、460、520、620：控制电路
362、426、462、524、622：采样与保持电路
364、422、464、522、624：电位移转器
606：抑制重置电路
626：电压调整器
628：运算放大器
712：比较器
714、716、722、724：非门
718：或非门
S810～S830：步骤流程
具体实施方式
请参照图9A至图9C，其所绘示为单光子雪崩光电二极管SPAD检测电路及其相关信号示意图。单光子雪崩光电二极管SPAD检测电路包括：电源供应器310、单光子雪崩光电二极管SPAD、负载R。其中，电源供应器310可产生供应电压Vop；单光子雪崩光电二极管SPAD的阴极端接收供应电压Vop，阳极端响应接收光子激发而产生一输出电压信号Vanode；负载的第一端连接至单光子雪崩光电二极管SPAD的阳极端，负载的第二端连接至接地电压Gnd。
假设单光子雪崩光电二极管SPAD操作在盖格模式，供应电压Vop＝Vbd+Ve，其中Vbd为崩溃电压且Ve为超额偏压电平。当单光子雪崩光电二极管SPAD未接收到任何光子激发时，光电流(sensing current)I(或者负载电流)为零。此时，单光子雪崩光电二极管SPAD为不动作状态(off)，且阳极端的输出电压信号Vanode电平为零。
再者，当单光子雪崩光电二极管SPAD在时间点t1接收到光子激发时，光电流I增加。此时，单光子雪崩光电二极管SPAD为动作状态(on)，光电流I流经负载R产生I×R的跨压(voltage drop)，使得阳极端的输出电压信号Vanode电平由零上升。当阳极端的输出电压信号Vanode上升到抑制电平(quenching level)时，单光子雪崩光电二极管SPAD上的跨压降低至崩溃电压电平Vbd，单光子雪崩光电二极管SPAD电流截止至零值，之后阳极端的输出电压信号Vanode开始放电而于时间点t2放电至零值电平。
当单光子雪崩光电二极管SPAD再次接收到光子时，再次重复时间点t1至时间点t2的动作。
根据单光子雪崩光电二极管SPAD的特性，本公开提出如图10A所示的单光子雪崩光电二极管SPAD的超额偏压控制系统的第一实施例。其中，单光子雪崩光电二极管SPAD的超额偏压控制系统包括：电源供应器350、单光子雪崩光电二极管SPAD、负载352、控制电路360。再者，控制电路360中包括：采样与保持电路362与电位移转器364。
电源供应器310可产生供应电压Vop；单光子雪崩光电二极管SPAD的阴极端接收供应电压Vop，阳极端会响应接收光子激发而产生一输出电压信号Vanode；负载的第一端连接至单光子雪崩光电二极管SPAD的阳极端；采样与保持电路362接收阳极端的输出电压信号Vanode，并产生抑制电平Vq；以及，电位移转器364接收超额偏压电平Ve，并据以将抑制电平Vq转换为重置电平Vr，使得负载的第二端接收重置电平Vr。再者，重置电平Vr等于抑制电平Vq减去超额偏压电平Ve。其中，电源供应器350可为电荷泵电路，负载352可为电阻。
由于电源供应器350提供的供应电压Vop以及单光子雪崩光电二极管SPAD的崩溃电压电平Vbd都可能根据环境温度变化而改变。因此，本公开的实施例在于利用采样与保持电路362准确的采样到单光子雪崩光电二极管SPAD的抑制电平Vq。接着，利用电位移转器364将超额偏压电平Ve迭加(superpose)于抑制电平Vq上而产生重置电平Vr，使得负载352第二端接收重置电平Vr。以下详细说明。
请参照图10B，其所绘示为单光子雪崩光电二极管SPAD的超额偏压控制系统的相关信号示意图。在时间点t1，单光子雪崩光电二极管SPAD接收到光子激发而动作(on)，并产生光电流I使得阳极端的输出电压信号Vanode上升至抑制电平Vq。此时，抑制电平Vq即为供应电压Vop减去崩溃电压电平Vbd，亦即
Vq＝Vop-Vbd (1)
因此，采样与保持电路362采样出阳极端的输出电压信号Vanode的极值电压电平而成为抑制电平Vq。而在阳极端的输出电压信号Vanode到达抑制电平Vq之后，将使得单光子雪崩光电二极管SPAD不动作(off)，而于时间点t2阳极端的输出电压信号Vanode逐渐放电至零电平。
当采样与保持电路362提供抑制电平Vq至电位移转器364时，电位移转器364将超额偏压电平Ve迭加于抑制电平Vq上而成为重置电平Vr，使得负载352第二端接收重置电平Vr。其中，重置电平Vr等于抑制电平Vq减去超额偏压电平Ve，亦即
Vr＝Vq-Ve (2)
根据上述(1)、(2)，可以获得Vop-Vr＝Vbd+Ve。换句话说，当单光子雪崩光电二极管SPAD不动作(off)时，即可确定单光子雪崩光电二极管SPAD上的跨压为崩溃电压电平Vbd加上超额偏压电平Ve。
由以上的说明可知，不论电源供应器350提供的供应电压Vop以及单光子雪崩光电二极管SPAD的崩溃电压电平Vbd如何改变，当单光子雪崩光电二极管SPAD不动作(off)时，单光子雪崩光电二极管SPAD的跨压为崩溃电压电平Vbd加上超额偏压电平Ve。因此本公开的第一实施例可以藉由改变电位移转器364所接收的超额偏压电平Ve，进一步调整单光子雪崩光电二极管SPAD的光检测机率(Photon Detection Probability，PDP)，使得本公开的第一实施例具备高动态范围的控制系统。
请参照图11，其所绘示为本公开单光子雪崩光电二极管SPAD的超额偏压控制系统的第二实施例。单光子雪崩光电二极管SPAD的超额偏压控制系统包括：电源供应器400、单光子雪崩光电二极管SPAD、负载402、控制电路420。再者，控制电路420中包括：电位移转器422以及采样与保持电路426。
相较于第一实施例，其差异在于控制电路420中，电位移转器422先将超额偏压电平Ve迭加于阳极端的输出电压信号Vanode并成为第一电压信号Vq’，亦即Vq’＝Vanode-Ve。接着，采样与保持电路426采样出第一电压信号Vq’的极值电压电平而成为重置电平Vr。相同地，第二实施例也可以获得Vop-Vr＝Vbd+Ve的结果。亦即，当单光子雪崩光电二极管SPAD不动作(off)时，即可确定单光子雪崩光电二极管SPAD上的跨压为崩溃电压电平Vbd加上超额偏压电平Ve。
请参照图12，其所绘示为本公开单光子雪崩光电二极管SPAD的超额偏压控制系统的第三实施例。单光子雪崩光电二极管SPAD的超额偏压控制系统包括：电源供应器450、单光子雪崩光电二极管SPAD、负载452、控制电路460。再者，控制电路460中包括：采样与保持电路462以及电位移转器464。
电源供应器450可产生负的供应电压-Vop；单光子雪崩光电二极管SPAD的阳极端接收供应负的电压-Vop，阴极端响应接收光子激发而产生一电压信号输出Vcathode；负载的第一端连接至单光子雪崩光电二极管SPAD的阴极端；采样与保持电路462接收阴极端的输出电压信号Vcathode，并产生抑制电平Vq；以及，电位移转器464接收超额偏压电平Ve，并将抑制电平Vq迭加上超额偏压电平Ve而成为重置电平Vr，并使得负载的第二端接收重置电平Vr。再者，重置电平Vr等于抑制电平Vq加上超额偏压电平Ve，亦即Vr＝Vq+Ve。其中，电源供应器450可为电荷泵电路，负载452可为电阻。
同理，当单光子雪崩光电二极管SPAD接收到光子激发而动作(on)并产生光电流I使得阴极端的输出电压信号Vcathode下降至抑制电平Vq。此时，采样与保持电路462采样阴极端的输出电压信号Vcathode的极值电压电平而获得抑制电平Vq。此时，重置电平Vr即为负的供应电压-Vop加上崩溃电压电平Vbd，亦即
Vq＝-Vop+Vbd (3)
再者，当采样与保持电路462提供抑制电平Vq至电位移转器464时，电位移转器464将超额偏压电平Ve迭加于抑制电平Vq上而成为重置电平Vr，使得负载452第二端接收重置电平Vr。其中，重置电平Vr等于抑制电平Vq加上超额偏压电平Ve，亦即
Vr＝Vq+Ve (4)
根据上述(3)、(4)，可以获得Vr-(-Vop)＝Vbd+Ve。换句话说，当单光子雪崩光电二极管SPAD不动作(off)时，即可确定单光子雪崩光电二极管SPAD上的跨压为崩溃电压电平Vbd加上超额偏压电平Ve。
请参照图13，其所绘示为本公开单光子雪崩光电二极管SPAD的超额偏压控制系统的第四实施例。单光子雪崩光电二极管SPAD的超额偏压控制系统包括：电源供应器500、单光子雪崩光电二极管SPAD、负载502、控制电路520。再者，控制电路520中包括：电位移转器522以及采样与保持电路524。
相较于第三实施例，其差异在于控制电路520中，电位移转器522先将超额偏压电平Ve迭加于阴极端的输出电压信号Vcathode并成为第一电压信号Vq’，亦即Vq’＝Vcathode+Ve。接着，采样与保持电路524采样出第一电压信号Vq’的极值电压电平而成为重置电平Vr。相同地，第二实施例也可以获得Vr-(-Vop)＝Vbd+Ve的结果。亦即，当单光子雪崩光电二极管SPAD不动作(off)时，即可确定单光子雪崩光电二极管SPAD上的跨压为崩溃电压电平Vbd加上超额偏压电平Ve。
请参照图14，其所绘示为本公开单光子雪崩光电二极管SPAD的超额偏压控制系统的第五实施例。单光子雪崩光电二极管SPAD的超额偏压控制系统包括：电源供应器600、单光子雪崩光电二极管SPAD、负载602以及控制电路620。再者，负载602中包括：晶体管M1及抑制重置电路606；以及，控制电路620中包括：采样与保持电路622、电位移转器624以及电压调整器)626。其中，电源供应器600可为电荷泵电路。
电源供应器600可产生供应电压Vop；单光子雪崩光电二极管SPAD的阴极端接收供应电压Vop，阳极端产生一输出电压信号Vanode；负载602的第一端连接至单光子雪崩光电二极管SPAD的阳极端；采样与保持电路622接收阳极端的输出电压信号Vanode，并产生抑制电平Vq；电位移转器624接收一超额偏压电平Ve，并将抑制电平Vq迭加上超额偏压电平Ve而成为重置电平Vr；电压调整器626接收重置电平Vr并产生调整电压Vreg，并使得负载602的第二端接收调整电压Vreg。其中，重置电平Vr等于抑制电平Vq减去超额偏压电平Ve；且重置电平Vr等于调整电压Vreg。
再者，控制电路620中的电压调整器626可增强其输出驱动能力，使得负载602的第二端快速稳定在重置电平Vr。电压调整器626包括一运算放大器628，正输入端接收重置电平Vr，负输入端产生调整电压Vreg；晶体管M2，源极端接收供应电压VDD，漏极端连接至运算放大器的负输入端，栅极连接至运算放大器628的输出端；电阻R连接于运算放大器的负输入端与接地电压Gnd之间。再者，第五实施例中更在负载中使用抑制重置电路606，其用途之一在于让采样与保持电路622更正确地采样到抑制电平Vq。详细说明如下：
当单光子雪崩光电二极管SPAD接收到光子激发而动作(on)并产生光电流I使得阳极端的输出电压信号Vanode上升至抑制电平Vq。此时，抑制重置电路606会动作，并产生一控制信号Ctrl至晶体管M1栅极(控制端)，用以关闭(turn off)晶体管M1，使得单光子雪崩光电二极管SPAD阳极端上原来的导通路径被断开(open)，因此抑制电平Vq会保持较长的时间，使得采样与保持电路622更正确地采样到抑制电平Vq。
换句话说，第五实施例中新增的电压调整器626用来增加控制电路620的输出驱动能力，使得负载602的第二端接收调整电压Vreg(亦即重置电平Vr)。再者，第五实施例中新增的抑制重置电路606可用来增加抑制电平Vq保持的时间，使得采样与保持电路622更正确地采样到抑制电平Vq。而相同的运作原理，当单光子雪崩光电二极管SPAD不动作(off)时，即可确定单光子雪崩光电二极管SPAD上的跨压为崩溃电压电平Vbd加上超额偏压电平Ve，亦即Vop-Vr＝Vbd+Ve。
请参照图15，其所绘示为第五实施例的详细电路图。其中，采样保持电路622以及电位移转器624也可以运用于上述第一实施例至第四实施例。
抑制重置电路606中包括：比较器712、非门714与716、或非门718、电容C1、晶体管M8以及晶体管M3。其中，比较器712负输入端接收阳极端的输出电压信号Vanode，正输入端接收一临限电压电平Vth1，输出端产生控制信号Ctrl。亦即，当单光子雪崩光电二极管SPAD接收到光子而动作(on)并产生光电流I使得阳极端的输出电压信号Vanode上升至临限电压Vth1以上时，比较器712会产生控制信号Ctrl至晶体管M1栅极，用以关闭(turn off)晶体管M1，使得原来单光子雪崩光电二极管SPAD阳极端上的导通路径被断开(open)。
另外，抑制重置电路606中的非门714、电容C1、晶体管M8、非门716连接形成一单稳态电路。当控制信号Ctrl产生后，利用电流源晶体管M8的放电路径来控制产生一脉冲信号，并且在非门716输出端产生采样与保持控制信号SH。晶体管M8的栅极接收自一控制电压，调整此电压值可以控制其导通电流值大小，进而调整脉冲信号宽度。再者，利用或非门718输出端来控制晶体管M3，在适当的时间开启晶体管M3以重置单光子雪崩光电二极管SPAD阳极端电压电平至零。基本上，抑制重置电路606中采样与保持控制信号SH会先动作完成之后才会开启晶体管M3。
采样与保持电路622包括非门722与724、传输门与一电容C2。其中，传输门由晶体管M4与M5所组成。当采样与保持控制信号SH动作时，传输门开启使得阳极端的输出电压信号Vanode的极值电压电平被记录于电容C2。换句话说，电容器C2上的电压即为抑制电平Vr。
电位移转器624包括晶体管M6与M7组合成源极随耦器(source follower)。再者，晶体管M6栅极接收抑制电平Vr，晶体管M7栅极接收一超额偏压电平Ve，并且在输出端产生一重置电平Vr，且重置电平Vr等于抑制电平Vq减去超额偏压电平Ve。
电压调整器626包括一运算放大器628，正输入端接收重置电平Vr，负输入端产生调整电压Vreg；晶体管M2栅极连接至运算放大器626的输出端，源极端接收另一供应电压VDD，漏极端与运算放大器628负输入端之间连接电阻R2；电阻R1连接在运算放大器628负输入端与接地电压Gnd之间。因此，电压调整器626可增强其输出驱动能力，使得负载602的第二端能快速稳定且保持在重置电平Vr。
再者，晶体管M2漏极可产生临限电压Vth1至抑制重置电路606，其中，Vth1＝Vreg(1+R2/R1)。换句话说，调整电阻R2的电阻值可以调整抑制重置电路606中控制信号Ctrl、采样与保持控制信号SH、以及晶体管M3的动作时间。
请参照图16，其所绘示为本公开单光子雪崩光电二极管SPAD的超额偏压控制方法。其中，单光子雪崩光电二极管SPAD的第一端连接至一电源供应器，以接收一供应电压Vop；单光子雪崩光电二极管SPAD的第二端可产生一输出电压信号；以及一负载的一第一端连接至单光子雪崩光电二极管SPAD的第二端，负载的一第二端接收一重置电平。其控制方法为：
首先，控制单光子雪崩光电二极管SPAD操作在盖格模式(步骤S810)；接着，当该单光子雪崩光电二极管产生一光电流时，监测该输出电压信号的一电压变化，并根据该电压变化与一超额偏压电平来产生一重置电平(步骤S820)；接着，将重置电平提供至负载的第二端(步骤S830)。
在上述的步骤S820中，监测该单光子雪崩光电二极管的第二端上该输出电压信号的一电压变化，并获得一极值电压电平并定义为抑制电平。之后，将抑制电平迭加超额偏压电平后形成重置电平。
或者，在上述的步骤S820中，先将该输出电压信号迭加一超额偏压电平后形成一第一电压信号，接着再监测该第一电压信号的电压变化，并获得一极值电压电平，并定义为重置电平。
又或者，在上述的步骤S820中，将一超额偏压切分成数个小份的超额偏压值，并将电压信号输出端的电压信号迭加于一超额偏压之上的操作，切分成数次累加操作，且可弹性处理信号迭加与极值电压电平获得的摆放顺序。
根据以上的说明，本公开实施例在于不论电源供应器提供的供应电压Vop以及单光子雪崩光电二极管SPAD的崩溃电压电平Vbd如何改变，当单光子雪崩光电二极管SPAD不动作(off)时，单光子雪崩光电二极管SPAD的跨压可准确的控制在为崩溃电压电平Vbd加上超额偏压电平Ve。
再者，由于本公开可以在单光子雪崩光电二极管SPAD提供准确的超额偏压电平Ve。因此，本公开更可以改变电位移转器所接收的超额偏压电平Ve，进一步达成具备高动态范围的控制系统。
综上所述，虽然本公开已以实施例公开如上，然其并非用以限定本公开。本公开所属技术领域的技术人员在不脱离本公开的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本公开的保护范围当视所附权利要求书界定范围为准。

Claims (12)

1.一种单光子雪崩光电二极管的超额偏压控制系统，包括：
电源供应器，产生供应电压；
单光子雪崩光电二极管，具有第一端接收该供应电压，具有第二端产生输出电压信号；
控制电路，连接在该单光子雪崩光电二极管的该第二端，其中该输出电压信号的变化以及超额偏压电平提供至该控制电路，以使该控制电路获得重置电平；以及
负载，具有第一端连接至该单光子雪崩光电二极管的该第二端，具有第二端连接至该控制电路用以接收该重置电平。
2.如权利要求1所述的超额偏压控制系统，其中该单光子雪崩光电二极管的阴极端接收该供应电压，该单光子雪崩光电二极管的阳极端产生该输出电压信号。
3.如权利要求2所述的超额偏压控制系统，其中该控制电路包括：
采样与保持电路，根据该输出电压信号的变化来获得极值电压电平并为抑制电平；以及
电位移转器，接收该超额偏压电平并将该抑制电平减去该超额偏压电平而成为该重置电平。
4.如权利要求2所述的超额偏压控制系统，其中该控制电路包括：
电位移转器，接收该输出电压信号与该超额偏压电平，并将该输出电压信号减去该超额偏压电平而成为第一电压信号；以及
采样与保持电路，根据该第一电压信号的变化来获得极值电压电平并为该重置电平。
5.如权利要求1所述的超额偏压控制系统，其中该单光子雪崩光电二极管的阳极端接收负的该供应电压，该单光子雪崩光电二极管的阴极端产生该输出电压信号。
6.如权利要求5所述的超额偏压控制系统，其中该控制电路包括：
采样与保持电路，根据该输出电压信号的变化来获得极值电压电平并为抑制电平；以及
电位移转器，接收该超额偏压电平并将该抑制电平加上该超额偏压电平而成为该重置电平。
7.如权利要求5所述的超额偏压控制系统，其中该控制电路包括：
电位移转器，接收该输出电压信号与该超额偏压电平，并将该输出电压信号加上该超额偏压电平而成为第一电压信号；以及
采样与保持电路，根据该第一电压信号的变化来获得极值电压电平并为该重置电平。
8.如权利要求1所述的超额偏压控制系统，还包括一抑制重置电路，接收该输出电压信号，并且在该输出电压信号到达一临限值时，控制该负载的该第一端与该第二端之间为断开状态。
9.如权利要求3、4、6、7或8所述的超额偏压控制系统，其中该控制电路包括电压调整器接收该重置电平，并增强该控制电路的输出驱动能力，使得该负载的该第二端快速稳定在该重置电平。
10.一种单光子雪崩光电二极管的超额偏压控制方法，包括下列步骤：
控制单光子雪崩光电二极管操作在盖格模式，其中该单光子雪崩光电二极管的第一端连接至电源供应器，该单光子雪崩光电二极管的第二端产生输出电压信号，负载的第一端连接至该单光子雪崩光电二极管的该第二端，该负载的第二端接收重置电平；
当该单光子雪崩光电二极管产生光电流时，监测该输出电压信号的电压变化，并根据该电压变化与超额偏压电平的输入来产生重置电平的输出；以及
将该重置电平提供至该负载的第二端。
11.如权利要求10所述的超额偏压控制方法，还包括下列步骤：
监测该单光子雪崩光电二极管产生的该输出电压信号的该电压变化，并获得极值电压电平定义为抑制电平；以及
将该抑制电平迭加该超额偏压电平后形成该重置电平。
12.如权利要求10所述的超额偏压控制方法，还包括下列步骤：
将该单光子雪崩光电二极管的该输出电压信号迭加 该超额偏压电平后形成第一电压信号；以及
监测该第一电压信号的电压变化，并获得极值电压电平并定义为该重置电平。
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