CN106411299A - 一种高速单光子雪崩二极管淬灭复位电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高速单光子雪崩二极管淬灭复位电路。现有单光子雪崩光电二极管淬灭恢复电路不能快速地完成对雪崩光电二极管的淬灭恢复功能。本发明首先利用检测器对雪崩光电二极管产生的信号进行检测，当检测器的输出信号为高电平，第二MOS管内阻升高两端电压增加，第七MOS管导通，第十MOS管截止，使得雪崩光电二极管两端的反向偏置电压快速地降低，高速地完成电路的淬灭功能；当检测器的输出信号为低电平时，第二MOS管内阻降低两端电压减少，第七MOS管截止，第十MOS管导通，使得雪崩光电二极管两端的反向偏置电压快速地增加，高速地完成电路的恢复功能，以此来完成本发明的功效。

Description

一种高速单光子雪崩二极管淬灭复位电路
技术领域
本发明属于单光子探测技术领域，具体涉及一种高速单光子雪崩二极管淬灭复位电路。
背景技术
单光子探测技术是一种极微光探测传感技术，在生物发光、量子通信、大气污染检测、放射探测、天文研究、高灵敏度传感器等领域有着比较广泛的应用。单光子探测技术采用的光电接收器件主要有光电倍增管(PTM)、单光子雪崩二极管(APD)。然而工作在盖革模式下的单光子雪崩光电二极管(APD)进行单光子探测时却不能单独工作，要是在单光子雪崩光电二极管的两端施加的电压都高于击穿电压，则其会很快被损坏。所以单光子雪崩光电二极管需要淬灭和复位电路进行配合才能正常工作。为了能够淬灭雪崩和为后面的光子的入射做好准备而需要给器件充电复位到初始状态，所以它要求外围电路必须具有淬灭(即将单光子雪崩光电二极管两端施加的反向偏置电压快速降低到击穿电压之下)和复位(即迅速对单光子雪崩光电二极管两端的反向偏置电压进行充电使其阴极和阳极两端的电压差恢复到最初的探测状态)的两种功能。
目前也有完成单光子雪崩光电二极管淬灭恢复功能的电路设计，但是都不能快速地完成对雪崩光电二极管的淬灭恢复功能，从而导致雪崩光电二极管的盲时间过长、采样频率降低等，极大地降低了雪崩光电二极管的性能。
发明内容
本发明的目的在于提出一种结构简单、成本低、能够快速完成雪崩光电二极管的淬灭恢复功能的电路。
本发明包括第一MOS管M1、第二MOS管M2、第三MOS管M3、第四MOS管M4、第五MOS管M5、第六MOS管M6、第七MOS管M7、第八MOS管M8、第九MOS管M9、第十MOS管M10、第四电容C4、第二电阻R2、第三电阻R3、与非门、第一电源和脉冲；所述第十MOS管M10的漏极接第二MOS管M2的漏极、第四MOS管M4的漏极、第五MOS管M5的漏极、第九MOS管M9的漏极并接第一电源的正极，第一电源的负极接地；第十MOS管M10的源极接第二MOS管M2的源极和第一MOS管M1的漏极；第一MOS管M1的栅极接第一MOS管M1的源极、第三MOS管M3的栅极、第七MOS管M7的漏极以及第四MOS管M4的栅极；第十MOS管M10的栅极接第七MOS管M7的栅极、第八MOS管M8的漏极及第九MOS管M9的源极；第二MOS管M2的栅极接第三MOS管M3的漏极、第四MOS管M4的源极、第五MOS管M5的栅极、第六MOS管M6的栅极以及第四电容C4的一端；第三MOS管M3的漏极输出单光子探测信号；第三MOS管M3的源极接第六MOS管M6的源极、第七MOS管M7的源极以及第八MOS管M8的源极并接地；第四电容C4的另一端接第二电阻R2和第三电阻R3的一端；第二电阻R2的另一端接第五MOS管M5的源极和第六MOS管M6的漏极；第三电阻R3的另一端接第八MOS管M8和第九MOS管M9的漏极。
所述的与非门由第十二MOS管M12、第十三MOS管M13、第十四MOS管M14、第十五MOS管M15、第十六MOS管M16和第十七MOS管M17组成；第十六MOS管M16的漏极接第十七MOS管M17的源极并输出单光子信号；第十六MOS管M16的栅极接第十七MOS管M17的栅极、第十二MOS管M12的源极、第十三MOS管M13的源极以及第十四MOS管M14的漏极；第十二MOS管M12的漏极接第十三MOS管M13的漏极和第十七MOS管M17的漏极并接第一电源的正极；第十二MOS管M12的栅极接第十五MOS管M15的栅极和脉冲的正极；第十四MOS管M14的源极接第十五MOS管M15的漏极；脉冲的负极接第十五MOS管M15的源极和第十六MOS管M16的源极并接地；第十三MOS管M13的栅极接第十四MOS管M14的栅极；第十四MOS管M14的栅极接第九MOS管M9的源极输出的采样保持信号。
所述的第一MOS管M1、第二MOS管M2、第三MOS管M3和第四MOS管M4组成检测器。
所述的第五MOS管M5、第六MOS管M6、第八MOS管M8、第九MOS管M9、第二电阻R2、第三电阻R3和第四电容C4组成延迟器，其中，第五MOS管M5和第六MOS管M6组成第一个反相器，第八MOS管M8和第九MOS管M9组成第二个反相器。
所述的第一MOS管M1、第二MOS管M2、第四MOS管M4、第五MOS管M5、第九MOS管M9和第十MOS管M10为PMOS管；所述的第三MOS管M3、第六MOS管M6、第七MOS管M7和第八MOS管M8为NMOS管。
所述的第十二MOS管M12、第十三MOS管M13和第十七MOS管M17为PMOS管；所述的第十四MOS管M14、第十五MOS管M15和第十六MOS管M16为NMOS管。
本发明的有益效果在于：
本发明首先利用检测器对雪崩光电二极管产生的信号进行检测，当检测器的输出信号(第三MOS管M3的漏极输出的单光子探测信号Vout2)为高电平，M2内阻升高两端电压增加，M7导通，M10截止，使得雪崩光电二极管两端的反向偏置电压快速地降低，高速地完成电路的淬灭功能。当检测器的输出信号为低电平时，M2内阻降低两端电压减少，M7截止，M10导通，使得雪崩光电二极管两端的反向偏置电压快速地增加，高速地完成电路的恢复功能，以此来完成本发明的功效。
附图说明
图1为本发明的电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
参照图1，一种高速单光子雪崩二极管淬灭复位电路，包括第一MOS管M1、第二MOS管M2、第三MOS管M3、第四MOS管M4、第五MOS管M5、第六MOS管M6、第七MOS管M7、第八MOS管M8、第九MOS管M9、第十MOS管M10、第四电容C4、第二电阻R2、第三电阻R3、与非门、第一电源Vdd和脉冲Vpulse；第一MOS管M1、第二MOS管M2、第四MOS管M4、第五MOS管M5、第九MOS管M9和第十MOS管M10为PMOS管；第三MOS管M3、第六MOS管M6、第七MOS管M7和第八MOS管M8为NMOS管。第一MOS管M1、第二MOS管M2、第三MOS管M3和第四MOS管M4组成检测器，检测器主要用来检测雪崩光电二极管是否探测到单光子信号产生的脉冲信号。第五MOS管M5、第六MOS管M6、第八MOS管M8、第九MOS管M9、第二电阻R2、第三电阻R3和第四电容C4组成延迟器，其中，第五MOS管M5和第六MOS管M6组成第一个反相器，第八MOS管M8和第九MOS管M9组成第二个反相器，第四电容C4的一端连接到第一个反相器的前端，另一端连接在第二电阻R2、第三电阻R3之间，此种连接采用了密勒定理的原理，使得延迟器的调节范围变得更宽，适应不同条件下对采样频率的需求，此延迟器具有采样保持功能，以此来保证电路的稳定性和淬灭和恢复功能的完成。第三MOS管M3和第七MOS管M7用来加速电路的淬灭速度，第十MOS管M10用来增加电路的恢复速度。
第十MOS管M10的漏极接第二MOS管M2的漏极、第四MOS管M4的漏极、第五MOS管M5的漏极、第九MOS管M9的漏极并接第一电源Vdd的正极，第一电源Vdd的负极接地；第十MOS管M10的源极接第二MOS管M2的源极和第一MOS管M1的漏极；第一MOS管M1的栅极接第一MOS管M1的源极、第三MOS管M3的栅极、第七MOS管M7的漏极以及第四MOS管M4的栅极；第十MOS管M10的栅极接第七MOS管M7的栅极、第八MOS管M8的漏极及第九MOS管M9的源极；第二MOS管M2的栅极接第三MOS管M3的漏极、第四MOS管M4的源极、第五MOS管M5的栅极、第六MOS管M6的栅极以及第四电容C4的一端；第三MOS管M3的漏极输出单光子探测信号Vout2；第三MOS管M3的源极接第六MOS管M6的源极、第七MOS管M7的源极以及第八MOS管M8的源极并接地；第四电容C4的另一端接第二电阻R2和第三电阻R3的一端；第二电阻R2的另一端接第五MOS管M5的源极和第六MOS管M6的漏极；第三电阻R3的另一端接第八MOS管M8和第九MOS管M9的漏极。
二输入的与非门由第十二MOS管M12、第十三MOS管M13、第十四MOS管M14、第十五MOS管M15、第十六MOS管M16和第十七MOS管M17组成；第十二MOS管M12、第十三MOS管M13和第十七MOS管M17为PMOS管；第十四MOS管M14、第十五MOS管M15和第十六MOS管M16为NMOS管；第十六MOS管M16的漏极接第十七MOS管M17的源极并输出单光子信号Vout1；第十六MOS管M16的栅极接第十七MOS管M17的栅极、第十二MOS管M12的源极、第十三MOS管M13的源极以及第十四MOS管M14的漏极；第十二MOS管M12的漏极接第十三MOS管M13的漏极和第十七MOS管M17的漏极并接第一电源Vdd的正极；第十二MOS管M12的栅极接第十五MOS管M15的栅极和脉冲Vpulse的正极；第十四MOS管M14的源极接第十五MOS管M15的漏极；脉冲Vpulse的负极接第十五MOS管M15的源极和第十六MOS管M16的源极并接地；第十三MOS管M13的栅极接第十四MOS管M14的栅极；第十四MOS管M14的栅极作为端口1接第九MOS管M9的源极输出的采样保持信号Vout3；端口2为脉冲Vpulse的脉冲信号输出端，采样保持信号和脉冲Vpulse的脉冲信号通过与非门发生融合，共同产生的信号用来模拟单光子信号。
第十一MOS管M11、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第一电阻R1和第二电源Vbreak组成雪崩光电二极管的电路替代模型，用来模拟单光子雪崩二极管接收单光子信号；第十一MOS管M11为NMOS管。第十一MOS管M11的源极接第一电阻R1的一端并接地；第一电阻R1的另一端接第二电源Vbreak的正极；第二电源Vbreak的负极接第一电容C1和第三电容C3的一端；第三电容C3的另一端接第二电容C2的一端并接地；第十一MOS管M11的漏极接第一电容C1的另一端、第二电容C2的另一端及第七MOS管M7的漏极；第十一MOS管M11的栅极接单光子信号Vout1。
当检测器的输出信号(第三MOS管M3的漏极输出的单光子探测信号Vout2)为高电平时，M2内阻升高两端电压增加，M7导通，M10截止，使得雪崩光电二极管两端的反向偏置电压快速地降低，高速地完成电路的淬灭功能。当检测器的输出信号为低电平时，M2内阻降低两端电压减少，M7截止，M10导通，使得雪崩光电二极管两端的反向偏置电压快速地增加，高速地完成电路的恢复功能。以此来完成本发明的功效。

Claims (5)

1.一种高速单光子雪崩二极管淬灭复位电路，包括第一MOS管M1、第二MOS管M2、第三MOS管M3、第四MOS管M4、第五MOS管M5、第六MOS管M6、第七MOS管M7、第八MOS管M8、第九MOS管M9、第十MOS管M10、第四电容C4、第二电阻R2、第三电阻R3、与非门、第一电源和脉冲，其特征在于：所述第十MOS管M10的漏极接第二MOS管M2的漏极、第四MOS管M4的漏极、第五MOS管M5的漏极、第九MOS管M9的漏极并接第一电源的正极，第一电源的负极接地；第十MOS管M10的源极接第二MOS管M2的源极和第一MOS管M1的漏极；第一MOS管M1的栅极接第一MOS管M1的源极、第三MOS管M3的栅极、第七MOS管M7的漏极以及第四MOS管M4的栅极；第十MOS管M10的栅极接第七MOS管M7的栅极、第八MOS管M8的漏极及第九MOS管M9的源极；第二MOS管M2的栅极接第三MOS管M3的漏极、第四MOS管M4的源极、第五MOS管M5的栅极、第六MOS管M6的栅极以及第四电容C4的一端；第三MOS管M3的漏极输出单光子探测信号；第三MOS管M3的源极接第六MOS管M6的源极、第七MOS管M7的源极以及第八MOS管M8的源极并接地；第四电容C4的另一端接第二电阻R2和第三电阻R3的一端；第二电阻R2的另一端接第五MOS管M5的源极和第六MOS管M6的漏极；第三电阻R3的另一端接第八MOS管M8和第九MOS管M9的漏极；
所述的与非门由第十二MOS管M12、第十三MOS管M13、第十四MOS管M14、第十五MOS管M15、第十六MOS管M16和第十七MOS管M17组成；第十六MOS管M16的漏极接第十七MOS管M17的源极并输出单光子信号；第十六MOS管M16的栅极接第十七MOS管M17的栅极、第十二MOS管M12的源极、第十三MOS管M13的源极以及第十四MOS管M14的漏极；第十二MOS管M12的漏极接第十三MOS管M13的漏极和第十七MOS管M17的漏极并接第一电源的正极；第十二MOS管M12的栅极接第十五MOS管M15的栅极和脉冲的正极；第十四MOS管M14的源极接第十五MOS管M15的漏极；脉冲的负极接第十五MOS管M15的源极和第十六MOS管M16的源极并接地；第十三MOS管M13的栅极接第十四MOS管M14的栅极；第十四MOS管M14的栅极接第九MOS管M9的源极输出的采样保持信号。
2.根据权利要求1所述的一种高速单光子雪崩二极管淬灭复位电路，其特征在于：所述的第一MOS管M1、第二MOS管M2、第三MOS管M3和第四MOS管M4组成检测器。
3.根据权利要求1所述的一种高速单光子雪崩二极管淬灭复位电路，其特征在于：所述的第五MOS管M5、第六MOS管M6、第八MOS管M8、第九MOS管M9、第二电阻R2、第三电阻R3和第四电容C4组成延迟器，其中，第五MOS管M5和第六MOS管M6组成第一个反相器，第八MOS管M8和第九MOS管M9组成第二个反相器。
4.根据权利要求1所述的一种高速单光子雪崩二极管淬灭复位电路，其特征在于：所述的第一MOS管M1、第二MOS管M2、第四MOS管M4、第五MOS管M5、第九MOS管M9和第十MOS管M10为PMOS管；所述的第三MOS管M3、第六MOS管M6、第七MOS管M7和第八MOS管M8为NMOS管。
5.根据权利要求1所述的一种高速单光子雪崩二极管淬灭复位电路，其特征在于：所述的第十二MOS管M12、第十三MOS管M13和第十七MOS管M17为PMOS管；所述的第十四MOS管M14、第十五MOS管M15和第十六MOS管M16为NMOS管。
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