CN106338339B - 应用于阵列型单光子雪崩二极管的紧凑型检测淬灭电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用于阵列型单光子雪崩二极管的紧凑型检测淬灭电路，包括检测电路、门控电路、淬灭电路及脉宽可调的复位电路。该淬灭电路利用SPAD结电容对SPAD产生的雪崩电流进行I‑Q‑V积分变换将电流转换为电压信号，经单管比较器处理后输出脉冲信号，该脉冲信号通过反相器进行整形，并增加驱动能力。本发明一方面可有效减小版图面积和电路瞬态功耗，降低阵列型SPAD供电电源要求；另一方面可缩短淬灭时间，加快检测速度，减少非理想效应；同时，本发明采用外置电容方式实现单稳态电路，可针对不同探测器性能灵活调整复位脉宽时间。
Description
技术领域
本发明涉及一种应用于阵列型单光子雪崩二极管的紧凑型检测淬灭电路，属于半导体技术领域。
背景技术
单光子探测技术是一种基于单光子的探测技术，它可以检测极微弱的光信号，是近年来发展起来的一项新兴的探测技术。它可以应用于医疗诊断、天文观测、国防军事、光谱测量、量子电子学等领域。工作于盖革模式的雪崩光电二极管(Avalanche Photo Diode，APD)是一种应用最为广泛的单光子探测器。
APD工作于盖革模式时反向偏置电压高于其雪崩电压，具有极高的电流增益，可检测到单光子，因此被称为单光子雪崩光电二极管(SPAD)。当SPAD感应到单个光子时，光子在耗尽层被吸收并转化为电子-空穴对，光生电子-空穴对能够以一定的概率触发雪崩击穿，雪崩能够自我维持，使得电流迅速增加，在亚纳秒时间内雪崩电流能够迅速上升至毫安量级。在盖革模式下，雪崩击穿是一种自持的行为，雪崩电流需要及时的淬灭，否则持续的雪崩电流会产生过度的功耗，造成探测器发热，并且无法进行下一次检测。所以，SPAD需要相应的高速淬灭电路与之配合。
当前，随着单片集成技术和混合集成技术的发展以及探测器制作水平的提高，SPAD正向阵列化发展。SPAD阵列规模的扩大给淬灭电路的设计带来了极大的难度。具体表现为：
1、在凸点集成方式中，SPAD像素阵列与读出电路像素阵列是一一对应连接的，即每个读出电路像素单元的面积、位置应和相应的SPAD像素单元严格的匹配。即读出电路的像素单元面积由SPAD像素的间距决定。为了获得较大的光敏面积填充系数，提高SPAD的量子效率，SPAD的像素间距需要足够的小，因此读出电路的像素单元面积受到了严格的限制作为像素重要组成模块的淬灭电路也同样有紧凑型面积的要求。
2、在大阵列应用中，像素电路的数量成倍增加，单个像素电路的功耗增加会对整个芯片产生很大的影响。从静态功耗考虑，大阵列读出电路的版图比较大，如果像素静态电流过大，会导致在引线的电压跌落较大，引起芯片内部工作电压的不均匀跌落。从动态功耗的角度来看，所有像素的瞬态启动会产生较大的瞬态电流，而当负载瞬态电流发生变化时，由于负载芯片内部晶体管电平转换速度极快，必须在极短的时间内为负载芯片提供足够的电流。但是稳压电源无法很快响应负载电流的变化，导致电流无法即刻响应负载瞬态电流的变化，造成负载芯片电压的跌落。因此，读出电路系统功耗的降低尤为重要。而读出电路中，最大的功耗来源就是像素电路，淬灭电路作为像素电路的组成部分，其功耗也受到了严格的限制。
3、大阵列淬灭电路的设计不仅受到面积和功耗的限制，同时还需要克服大阵列应用的不均匀性、噪声、光学串扰、后脉冲等非理想因素的影响。其中光学串扰、后脉冲效应发生的几率正比于SPAD在雪崩过程中产生的雪崩电荷数量，因此减少雪崩电荷数量可有效抑制光学串扰、后脉冲效应。故淬灭电路的负载电容应尽量小，淬灭速度应尽量快。另外，为减小淬灭电路的死区时间，复位时间也不宜过长。
淬灭电路经历了被动淬灭到主动淬灭的发展，而后又出现了主被动混合式淬灭和门控模式。现在已有的淬灭电路大多是基于电阻检测设计的，然而电阻等无源器件的使用会扩大版图面积、增加瞬态功耗，不利于大规模集成。少数基于电容检测的淬灭电路又因结构复杂、面积过大或存在电荷分享问题等难以应用到阵列中。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种应用于阵列型单光子雪崩二极管的紧凑型检测淬灭电路：首先，本发明利用SPAD结电容感应雪崩电流，采用单管对SPAD阳极电压进行检测，以提高感应和检测速度，并降低电路的面积；同时，本发明利用电容的充电特性，使得对瞬态功耗的需求较普通的电阻检测方法大大降低，能够降低对供电电源的要求；另外，本发明针对不同SPAD的特性，通过设置可调时间的复位电路，以增加电路应用的灵活性。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种应用于阵列型单光子雪崩二极管的紧凑型检测淬灭电路，用于SPAD探测光子信息并进行统计，包括第一PMOS管M1、第二NMOS管M2、第三PMOS管M3、第四NMOS管M4、第五PMOS管M5、第一反相器I1和单稳态电路，单稳态电路用于产生复位信号REC；第一PMOS管M1的栅极接外部输入的门控信号EN，源极接电源VDD，漏极接SPAD阳极；第二NMOS管M2的栅极接复位信号REC，源极接地GND，漏极接SPAD阳极；第三PMOS管M3的栅极接第五PMOS管M5的漏极，源极接电源VDD，漏极接SPAD阳极；第四NMOS管M4的栅极接SPAD阳极，源极接地GND，漏极接第三PMOS管M3的栅极；第五PMOS管M5的栅极接复位信号REC的反信号，源极接电源VDD，漏极接第三PMOS管M3的栅极；单稳态电路的输入端接外部输入的门控信号EN；第一反相器I1的输入端接第三PMOS管M3的栅极，输出端作为整个紧凑型检测淬灭电路的输出端；所述SPAD为单光子雪崩光电二极管。
具体的，所述单稳态电路采用上升沿触发方式，包括第一反相器INV1、第二反相器INV2、第三反相器INV3、第一与非门NAND1、第二与非门NAND2和一个外置电容CEXT；第一反相器INV1的输入端作为单稳态电路的输入端接入外部输入的门控信号EN，输出端接第一与非门NAND1的一个输入端；第一与非门NAND1的一个输入端接第一反相器INV1的输出端，另一个输入端接第二与非门NAND2的输出端，输出端接第二反相器INV2的输入端；第二反相器INV2的输入端接第一与非门NAND1的输出端，输出端接第二与非门NAND2的一个输入端；第二与非门NAND2的一个输入端接第二反相器INV2的输出端，另一个输入端接第一与非门NAND1的输出端，输出端接第三反相器INV3的输入端；第三反相器INV3的输入端接第二与非门NAND2的输出端，输出端作为单稳态电路的输出端接出复位信号REC；外置电容CEXT的一端接第二反相器INV2的输出端，另一端接地GND。
SPAD产生的雪崩电流仅用于对SPAD的结电容CS和IN点的寄生电容充电，以提高IN点的电位，即SPAD产生的雪崩电流没有流到其它支路产生额外功耗。由于IN点的寄生电容相对于SPAD的结电容CS来说非常小，因此可认为淬灭电路仅利用SPAD的结电容CS对SPAD产生的雪崩电流信号进行I-Q-V积分变换，将雪崩电流信号转换为电压信号。
有益效果：本发明提供的应用于阵列型单光子雪崩二极管的紧凑型检测淬灭电路，相对于现有技术，具有如下优势：1、相对传统的反相器，该淬灭电路采用单管比较器检测SPAD阳极电压，一方面单管比较器在IN点引入的寄生电容更小，另一方面单管比较器的检测速度快、检测阈值低；2、该淬灭电路结构简单，不存在电荷分享问题，电路中不存在无源器件，仅利用SPAD结电容将感应到的雪崩电流进行I-Q-V积分转换将电流转换为电压信号，经单管比较器处理后输出脉冲信号；此结构一方面可有效减小淬灭电路面积、降低电路瞬态功耗，另一方面可加快检测速率，缩短淬灭时间，减少流过SPAD的雪崩电荷数量；3、该淬灭电路利用内置单稳态电路产生所需复位信号，可减少所需外部控制信号数量；所述单稳态电路采用外置电容方式实现，针对不同探测器的性能可通过改变外置电容大小灵活调整复位脉宽大小。
附图说明
图1为本发明提供电路的结构示意图；
图2为本发明电路中单稳态电路的结构示意图；
图3为本发明提供电路的时序图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1所示为一种应用于阵列型单光子雪崩二极管的紧凑型检测淬灭电路，包括第一PMOS管M1、第二NMOS管M2、第三PMOS管M3、第四NMOS管M4、第五PMOS管M5、第一反相器I1和单稳态电路，单稳态电路用于产生复位信号REC；第一PMOS管M1的栅极接外部输入的门控信号EN，源极接电源VDD，漏极接SPAD阳极；第二NMOS管M2的栅极接复位信号REC，源极接地GND，漏极接SPAD阳极；第三PMOS管M3的栅极接第五PMOS管M5的漏极，源极接电源VDD，漏极接SPAD阳极；第四NMOS管M4的栅极接SPAD阳极，源极接地GND，漏极接第三PMOS管M3的栅极；第五PMOS管M5的栅极接复位信号REC的反信号，源极接电源VDD，漏极接第三PMOS管M3的栅极；单稳态电路的输入端接外部输入的门控信号EN；第一反相器I1的输入端接第三PMOS管M3的栅极，输出端作为整个紧凑型检测淬灭电路的输出端；所述SPAD为单光子雪崩光电二极管。
如图2所示，所述单稳态电路采用上升沿触发方式，包括第一反相器INV1、第二反相器INV2、第三反相器INV3、第一与非门NAND1、第二与非门NAND2和一个外置电容CEXT；第一反相器INV1的输入端作为单稳态电路的输入端接入外部输入的门控信号EN，输出端接第一与非门NAND1的一个输入端；第一与非门NAND1的一个输入端接第一反相器INV1的输出端，另一个输入端接第二与非门NAND2的输出端，输出端接第二反相器INV2的输入端；第二反相器INV2的输入端接第一与非门NAND1的输出端，输出端接第二与非门NAND2的一个输入端；第二与非门NAND2的一个输入端接第二反相器INV2的输出端，另一个输入端接第一与非门NAND1的输出端，输出端接第三反相器INV3的输入端；第三反相器INV3的输入端接第二与非门NAND2的输出端，输出端作为单稳态电路的输出端接出复位信号REC；外置电容CEXT的一端接第二反相器INV2的输出端，另一端接地GND。
上述单稳态电路中，当外部输入的门控信号EN由0跳变到1时，由于外置电容CEXT和第二反相器INV2的存在，会使得复位信号REC短暂保持高电平，即出现单稳态；该单稳态电路采用与非门而不是异或门进行设计，原因在于淬灭电路仅需要单稳态电路选择性地进入高电平的暂稳态。另外，针对不同SPAD的性能，该单稳态电路可通过改变外置电容CEXT的大小灵活调整复位信号REC的脉宽长度。
上述紧凑型检测淬灭电路中：所述第一PMOS管M1构成门控电路，用于接收外部输入的门控信号EN，通过外部输入的门控信号EN控制第一PMOS管M1导通或关断；所述第三PMOS管M3构成主动淬灭电路，用于控制SPAD阳极的电位，当第三PMOS管M3导通时可将SPAD阳极的电位迅速上拉至高电平从而加速淬灭过程，减少流过SPAD的雪崩电荷；所述第二NMOS管M2作为复位管，第二NMOS管M2和单稳态电路一起构成复位电路，外部输入的门控信号EN作为单稳态电路的输入信号，单稳态电路的输出信号用于控制复位管(第二NMOS管M2)导通或关断，当复位管导通而门控电路关断时，SPAD阳极的电位下拉至零并处于待检测状态。
上述紧凑型检测淬灭电路中：所述第五PMOS管M5作为预充电管，第四NMOS管M4作为单管比较器，预充电管、单管比较器、第一反相器I1和SPAD的结电容CS一起构成快速检测电路，用于感应、检测SPAD产生的雪崩电流信号；该快速检测电路仅利用SPAD的结电容CS对SPAD产生的雪崩电流信号进行I-Q-V积分变换，将雪崩电流信号转换为电压信号，单管比较器迅速检测SPAD阳极的电位并输出脉冲信号，该脉冲信号通过第一反相器I1进行整形并增加驱动能力。
上述快速检测电路仅利用SPAD的结电容CS对SPAD产生的雪崩电流信号进行I-Q-V积分变换，将雪崩电流信号转换为电压信号，具有如下的优势：1、从面积方面看：利用SPAD的结电容CS感应雪崩电流而不用电阻感应雪崩电流可减小电路版图面积；2、从检测速度方面看：当采用电阻感应雪崩电流时，雪崩电流会被分为两个支路，一支路给SPAD的结电容CS充电，另一支路通过电阻流入地；当采用SPAD的结电容CS感应电压时，所有雪崩电流都用来给SPAD的结电容CS充电；因此采用SPAD的结电容CS感应雪崩电流可加速感应过程，进而加快检测速度；3、从功耗方面看：当采用电阻感应雪崩电流时，在感应过程和淬灭过程中电阻会额外消耗雪崩电流并产生不必要功耗，而采用SPAD的结电容CS感应雪崩电流则在动态功耗方面存在优势。
一般的阵列式淬灭电路主要采用反相器对雪崩电流进行检测，而在雪崩电流的检测过程中，实际只需对IN点的上升电压进行检测。本案淬灭电路的快速检测电路中采用了单管比较器，具有如下优势：1、单个NMOS管相对于反相器在IN点引入的寄生电容更低，可以加快对雪崩电流的感应速度，进而提高系统的检测速度；2、单个NMOS管还具有检测速度快和检测阈值低的优点。单管比较器的这两个优点十分有利于本案淬灭电路的大规模集成。
理论上单个NMOS管的翻转阈值VM′等于NMOS管的阈值电压VTN，而反相器的翻转阈值VM则可表示为：
其中：kn＝μnCox(W/L)n，kp＝μpCox(W/L)p，μn和μp分别为NMOS管和PMOS管的电子迁移率，Cox为单位面积的栅氧化层电容，(W/L)n和(W/L)p分别为NMOS管和PMOS管的宽长比，VTN和VTP分别为NMOS管和PMOS管的阈值电压，VDD为淬灭电路采用的电源电压。
在0.35μm工艺中，VTN＝0.7V，VTP＝-1.2V，当VDD＝5V时，上述公式可化简为：
根据上式可看出，尽管反相器的翻转阈值VM可以通过设置(W/L)p＞(W/L)n来降低，但是其始终无法低于NMOS管的阈值电压VTN，即单个NMOS管检测阈值低于反相器的检测阈值。
结合图3说明本案淬灭电路的工作过程：
①在稳定的关断状态下，即外部输入的门控信号EN的高电平到来前，第二NMOS管M2关断，第一PMOS管M1导通，将IN点的电位上拉到VDD，SPAD处于关断状态，第四NMOS管M4导通，第三PMOS管M3导通，以维持IN点的电位为VDD，最终OUT输出为高电平。
②当外部输入的门控信号EN上升沿到来，门控电路开启，同时复位信号REC到来，开始复位过程，此时第二NMOS管M2导通，第一PMOS管M1关断，第五PMOS管M5导通，第三PMOS管M3关断，将IN点的电位复位至GND，OUT输出为低电平。由于在IN点复位前SPAD无法检测光子，所以复位信号REC需要尽可能与外部输入的门控信号EN上升沿同步，减小死区时间。
③IN点复位结束时，复位信号REC置0，进入检测模式；此时当SPAD检测到光子(或后脉冲或发生暗计数)就会产生雪崩电流，对IN点的寄生电容进行充电，IN点的电位上升到第四NMOS管M4的开启电压，第四NMOS管M4导通，第三PMOS管M3的栅极电压下降，第三PMOS管M3导通并开始主动淬灭，进一步加快IN点的电位上升至VDD。同时，当IN点的电位上升至反相器I1的检测阈值时，输出OUT发生翻转，完成检测。此后，电路会一直处于关断状态，直至外部输入的门控信号EN和复位REC信号再次到来。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种应用于阵列型单光子雪崩二极管的紧凑型检测淬灭电路，其特征在于：包括第一PMOS管M1、第二NMOS管M2、第三PMOS管M3、第四NMOS管M4、第五PMOS管M5、第一反相器I1和单稳态电路，单稳态电路用于产生复位信号REC；第一PMOS管M1的栅极接外部输入的门控信号EN，源极接电源VDD，漏极接SPAD阳极；第二NMOS管M2的栅极接复位信号REC，源极接地GND，漏极接SPAD阳极；第三PMOS管M3的栅极接第五PMOS管M5的漏极，源极接电源VDD，漏极接SPAD阳极；第四NMOS管M4的栅极接SPAD阳极，源极接地GND，漏极接第三PMOS管M3的栅极；第五PMOS管M5的栅极接复位信号REC的反信号，源极接电源VDD，漏极接第三PMOS管M3的栅极；单稳态电路的输入端接外部输入的门控信号EN；第一反相器I1的输入端接第三PMOS管M3的栅极，输出端作为整个紧凑型检测淬灭电路的输出端；所述SPAD为单光子雪崩光电二极管；
所述第一PMOS管M1构成门控电路，用于接收外部输入的门控信号EN，通过外部输入的门控信号EN控制第一PMOS管M1导通或关断；所述第三PMOS管M3构成主动淬灭电路，用于控制SPAD阳极的电位，当第三PMOS管M3导通时将SPAD阳极的电位迅速上拉至高电平从而加速淬灭过程，减少流过SPAD的雪崩电荷；所述第二NMOS管M2作为复位管，第二NMOS管M2和单稳态电路一起构成复位电路，外部输入的门控信号EN作为单稳态电路的输入信号，单稳态电路的输出信号用于控制复位管导通或关断，当复位管导通而门控电路关断时，SPAD阳极的电位下拉至零并处于待检测状态；
所述第五PMOS管M5作为预充电管，第四NMOS管M4作为单管比较器，预充电管、单管比较器、第一反相器I1和SPAD的结电容CS一起构成快速检测电路，用于感应、检测SPAD产生的雪崩电流信号；该快速检测电路仅利用SPAD的结电容CS对SPAD产生的雪崩电流信号进行I-Q-V积分变换，将雪崩电流信号转换为电压信号，单管比较器迅速检测SPAD阳极的电位并输出脉冲信号，该脉冲信号通过第一反相器I1进行整形并增加驱动能力；
该紧凑型检测淬灭电路的工作过程为：
①在稳定的关断状态下，即外部输入的门控信号EN的高电平到来前，第二NMOS管M2关断，第一PMOS管M1导通，将IN点的电位上拉到VDD，SPAD处于关断状态，第四NMOS管M4导通，第三PMOS管M3导通，以维持IN点的电位为VDD，最终OUT输出为高电平；
②当外部输入的门控信号EN上升沿到来，门控电路开启，同时复位信号REC到来，开始复位过程，此时第二NMOS管M2导通，第一PMOS管M1关断，第五PMOS管M5导通，第三PMOS管M3关断，将IN点的电位复位至GND，OUT输出为低电平；
③IN点复位结束时，复位信号REC置0，进入检测模式；此时当SPAD检测到光子就会产生雪崩电流，对IN点的寄生电容进行充电，IN点的电位上升到第四NMOS管M4的开启电压，第四NMOS管M4导通，第三PMOS管M3的栅极电压下降，第三PMOS管M3导通并开始主动淬灭，进一步加快IN点的电位上升至VDD；同时，当IN点的电位上升至反相器I1的检测阈值时，输出OUT发生翻转，完成检测；此后，电路会一直处于关断状态，直至外部输入的门控信号EN和复位REC信号再次到来。
2.根据权利要求1所述的应用于阵列型单光子雪崩二极管的紧凑型检测淬灭电路，其特征在于：所述单稳态电路采用上升沿触发方式，包括第一反相器INV1、第二反相器INV2、第三反相器INV3、第一与非门NAND1、第二与非门NAND2和一个外置电容CEXT；第一反相器INV1的输入端作为单稳态电路的输入端接入外部输入的门控信号EN，输出端接第一与非门NAND1的一个输入端；第一与非门NAND1的一个输入端接第一反相器INV1的输出端，另一个输入端接第二与非门NAND2的输出端，输出端接第二反相器INV2的输入端；第二反相器INV2的输入端接第一与非门NAND1的输出端，输出端接第二与非门NAND2的一个输入端；第二与非门NAND2的一个输入端接第二反相器INV2的输出端，另一个输入端接第一与非门NAND1的输出端，输出端接第三反相器INV3的输入端；第三反相器INV3的输入端接第二与非门NAND2的输出端，输出端作为单稳态电路的输出端接出复位信号REC；外置电容CEXT的一端接第二反相器INV2的输出端，另一端接地GND。
3.根据权利要求1所述的应用于阵列型单光子雪崩二极管的紧凑型检测淬灭电路，其特征在于：仅利用SPAD的结电容CS对SPAD产生的雪崩电流信号进行I-Q-V积分变换，将雪崩电流信号转换为电压信号。
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