CN108562366A - 一种用于单光子探测器的模拟计数电路 - Google Patents
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Abstract
一种用于单光子探测器的模拟计数电路，属于半导体光电技术领域。包括脉冲整形单元、电流镜单元、复位单元和电压跟随器，脉冲整形单元的输入端作为模拟计数电路的输入端连接雪崩脉冲信号，将雪崩脉冲信号整形后输入电流镜单元的输入端；利用低电压工作下的电流镜单元提供放电通路，其输出端连接复位单元的输出端和电压跟随器的输入端，复位单元用于控制模拟计数电路的复位，电压跟随器的输出端作为模拟计数电路的输出端。本发明提出的模拟计数电路，与传统的数字技术电路相比，结构简单，版图面积小，填充系数高，节约了制造成本；与传统的模拟计数电路相比，具有更大的计数范围。
Description
技术领域
本发明属于半导体光电技术领域，具体提供了一种应用于单光子探测器中的线性模拟计数电路，实现对吸收光子数的精确快速计数。
背景技术
光探测器种类繁多，如光倍增管(PMT)和混合光探测器，以单光子雪崩二极管(SPAD)和硅倍增管(SiPM)为典型的基于半导体器件的光探测器在不同领域有着广泛应用。基于不同的探测技术，现在的光探测效率可达到90％以上，探测光的波长可从400nm到1700nm。其中基于单光子雪崩二极管SPAD阵列的单光子探测技术是一种可用于成像的技术，与传统的基于电荷耦合器件(Charge Couple Device)和CMOS有源像元图像传感器成像技术相比，单光子探测技术具有探测灵敏度高，反应速度快，噪声小等优势，除了用于单光子成像，在生物芯片检测、医疗诊断、天文观测、量子电子学等领域上也都有重要作用。
单光子雪崩二极管SPAD阵列中包含多个像素单元，一个像元由一个单光子雪崩二极管和后续的信号处理电路构成，在单片芯片上集成像元数目更大的阵列是未来发展的趋势，因此芯片对像元的面积有更高的要求，有必要对电路版图的面积进一步减小。计数电路是单光子探测器中后续信号处理电路中的关键，其作用是对单光子雪崩二极管探测到的光子数进行记录。当单光子雪崩二极管在足够大的反向电压下，一个光子就可以引发光生载流子的雪崩倍增，形成的雪崩电流在经过淬灭、整形和放大后以电压信号输入计数电路，计数电路的输出信号将用于记录探测光子的数目。
计数电路按实现方式一般可分为数字计数电路和模拟计数电路，传统的数字计数电路常采用时间数字转换器TDC(Time-to-Digital Converter)，虽然具有探测灵敏度高，噪声小等优势，但是数字计数模块规模大，一个模块需要集成上百只管子，占用芯片面积大，导致单光子雪崩二极管SPAD阵列上像素单元的填充系数较小，这使在一块芯片上实现更大的光电二极管阵列难度加大。而模拟计数电路在实现计数功能的同时不仅能保证探测的灵敏度和时间分辨率，而且使用的晶体管数目更少，大大减小了芯片占用面积，提高了像素单元的填充系数，使得其成为实现单光子雪崩二极管SPAD阵列内计数模块的首选方式。但比较传统的数字计数电路而言，模拟计数电路需要在计数范围上进一步改进。
发明内容
本发明针对传统的数字计数电路占用芯片面积大、填充系数低和传统的模拟计数电路计数范围小等问题，提出了一种模拟计数电路，可用于单光子探测器，利用低压下工作的电流镜放电，能够实现比一般模拟计数电路更大的输出电压摆幅，扩大了计数范围。
本发明的技术方案为：
一种用于单光子探测器的模拟计数电路，包括脉冲整形单元、电流镜单元、复位单元和电压跟随器，
所述脉冲整形单元的输入端作为所述模拟计数电路的输入端，其输出端连接所述电流镜单元的输入端；
所述复位单元的输入端连接复位信号Vres，其输出端连接所述电流镜单元的输出端和所述电压跟随器的输入端；
所述电流镜单元包括第一NMOS管M1、第二NMOS管M2、第三NMOS管M3、第四NMOS管M4和第五NMOS管M5，
第一NMOS管M1的栅极作为所述电流镜单元的输入端，其漏极连接电源电压VDD，其源极连接第二NMOS管M2的漏极以及第三NMOS管M3和第五NMOS管M5的栅极；
第四NMOS管M4的栅极连接第二NMOS管M2的栅极并连接偏置电压Vbias，其源极连接第五NMOS管M5的漏极，其漏极作为所述电流镜单元的输出端；
第三NMOS管M3的漏极连接第二NMOS管M2的源极，其源极连接第五NMOS管M5的源极并接地GND；
所述电压跟随器包括第六NMOS管M6和第七NMOS管M7，第六NMOS管M6的栅极作为所述电压跟随器的输入端，其漏极连接电源电压，其源极连接第七NMOS管M7的栅极和漏极并作为所述模拟计数电路的输出端，第七NMOS管M7的源极接地GND。
具体的，所述脉冲整形单元包括第八NMOS管M0，第八NMOS管M0的栅极连接电源电压VDD，其源极作为所述脉冲整形单元的输入端，其漏极作为所述脉冲整形单元的输出端。
具体的，所述复位单元包括第一PMOS管M8和第一电容C1，
第一PMOS管M8的栅极作为所述复位单元的输入端，其源极连接第一电容C1的一端并连接电源电压VDD，其漏极连接第一电容C1的另一端并作为所述复位单元的输出端。
具体的，所述所有NMOS管的衬底与地电压GND连接。
具体的，所述第一PMOS管M8的衬底与电源电压VDD连接。
本发明的有益效果为：本发明提出的模拟计数电路，可用于阵列型SPAD单光子探测器，相比传统的数字计数电路，本发明的模拟计数电路具有电路简单，使用MOS管数量少，节约制造成本，版图面积小，像元在SPAD阵列中可以实现更大的填充系数，利于集成等优点；本发明中的电流镜单元的放电更迅速，精确复制电流输入为电容放电，线性度更好，同时电流镜的设计可以使输出端的电压信号实现更大的摆幅，输出电压基本可以实现轨到轨，与传统的模拟计数电路相比能达到更大的计数范围。
附图说明
图1为本发明提出的一种用于单光子探测器的模拟计数电路的一种实现电路结构图。
图2是实施例中模拟计数电路中复位信号Vres和雪崩脉冲信号Vpulse的时序图。
图3是实施例中模拟计数电路的输出电压Vout波形图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明的工作原理和工作过程进行进一步的说明解释。
本发明提供的模拟计数电路，可应用于阵列型SPAD单光子探测器，包括脉冲整形单元、电流镜单元、复位单元和电压跟随器，脉冲整形单元的输入端作为模拟计数电路的输入端，其输出端连接电流镜单元的输入端；复位单元的输入端连接复位信号Vres，其输出端连接电流镜单元的输出端和电压跟随器的输入端；电流镜单元包括第一NMOS管M1、第二NMOS管M2、第三NMOS管M3、第四NMOS管M4和第五NMOS管M5，第一NMOS管M1作为控制模拟计数电路工作的开关管并为后续电流镜单元输入电流，第一NMOS管M1的栅极作为电流镜单元的输入端，其漏极连接电源电压VDD，其源极连接第二NMOS管M2的漏极以及第三NMOS管M3和第五NMOS管M5的栅极；第四NMOS管M4的栅极连接第二NMOS管M2的栅极并连接偏置电压Vbias，其源极连接第五NMOS管M5的漏极，其漏极作为电流镜单元的输出端，偏置电压Vbias可由偏置电压源提供；第三NMOS管M3的漏极连接第二NMOS管M2的源极，其源极连接第五NMOS管M5的源极并接地GND；电压跟随器包括第六NMOS管M6和第七NMOS管M7，第六NMOS管M6的栅极作为电压跟随器的输入端，其漏极连接电源电压，其源极连接第七NMOS管M7的栅极和漏极并作为模拟计数电路的输出端，第七NMOS管M7的源极接地GND；电压跟随器中，第七NMOS管M7构成二极管形式连接，作为电压跟随器内的有源负载。
脉冲整形单元用于将模拟计数电路的输入信号整形并输出给电流镜单元，图1中给出了一种脉冲整形单元的电路示意图，包括第八NMOS管M0，第八NMOS管M0的栅极可以连接一个高电平，为节约版图面积，更少地引入偏置电压源，本实施例中连接电源电压VDD，其源极作为脉冲整形单元的输入端，其漏极作为脉冲整形单元的输出端。
复位单元用于控制模拟计数电路的复位，图1中给出了复位单元的一种实现电路结构，本实施例中采用基于电容放电的方法实现复位与记录探测到的光子数，通过电容上电荷的放电记录光子数，探测信号到来一次电容放电一次，观测电容上电压的减少就可以记录探测到的光子数。本实施例中的复位单元包括第一PMOS管M8和第一电容C1，第一PMOS管M8的栅极作为复位单元的输入端，其源极连接第一电容C1的一端并连接电源电压VDD，其漏极连接第一电容C1的另一端并作为复位单元的输出端。
为防止衬底偏置效应，保证所有衬底和源漏极之间形成的PN结不能正向导通，可以设置所有的NMOS管的衬底与低电压GND相连，所有的PMOS管的衬底与电源电位VDD相连。
本实施例的工作原理为：单光子探测器每探测到一个光子就会产生一个雪崩脉冲信号Vpulse，雪崩脉冲信号Vpulse输入到模拟计数电路，经过脉冲整形单元整形或放大后输入由模拟计数电路计数，模拟计数电路的输出电压将会及时反应记录到的光子数，为了提高模拟计数电路的计数范围和速度，本发明采用低电压下工作的电流镜单元为电荷提供放电通路，利用输入模拟计数电路的电信号产生一个电流，电流镜单元按照一定比例将产生的电流精确复制为电容放电，使用电流作为驱动，可以达到更快的响应速度，相较其他模拟计数电路，低电压下的电流镜设计也使输出的电压信号可以实现更大的摆幅，基本实现轨到轨的输出电压，达到较大的计数范围和保持较好的线性度。
模拟计数电路的工作过程分为三个阶段：1.复位阶段2.计数阶段3.读出阶段。下面结合信号时序图即图2，以基于单光子雪崩二极管SPAD阵列的单光子探测器为例对本实施例中每个阶段电路的工作原理进行解释：
(1)复位阶段：在SPAD探测到光信号之前，对复位单元中的第一PMOS管M8施加一个复位信号Vres，当复位信号Vres为低电压时，第一PMOS管M8导通，对第一电容C1充电到电源电压VDD，此时，通过电压跟随器输出的电压Vout为电源电压VDD。当第一电容C1在较短的时间内充电完毕后，复位Vres变为高电平，此时第一PMOS管M8截止，电源不再对第一电容C1充电，输出电压Vout维持在电源电压VDD。复位信号Vres可以用一个脉冲信号模拟，周期设为10us，脉冲宽度为100ns，在100ns内复位信号Vres为低电平，第一PMOS管M8有足够的时间对第一电容C1进行充电，如图2，之后复位信号Vres为高电平，第一电容C1停止充电，保证复位信号Vres先于输入的雪崩脉冲信号Vpulse，雪崩脉冲延迟时间设为110ns，确保复位结束后再开始计数阶段。
(2)计数阶段：当光子来临时，SPAD每探测到一个光子，光子在SPAD吸收区内发生碰撞电离产生雪崩电流，雪崩脉冲信号通过第八NMOS管M0，第八NMOS管M0的源极作为输入，当第八NMOS管M0的源极电极Vs0不小于栅极电压Vg0和其阈值电压Vth0之差，即Vs0≥Vg0-Vth0时M0关断，会对雪崩脉冲不规则的波形进行削减和整形，使输入第一NMOS管M1的电压信号更一致和平整。第一NMOS管M1作为控制整个电流镜工作的开关，当雪崩脉冲来临时，雪崩脉冲信号Vpulse为高电平，此时第一NMOS管M1导通，计数器开始工作。第一NMOS管M1导通时产生电流，流入第二NMOS管M2和第三NMOS管M3，根据电流镜的工作原理，第四NMOS管、第五NMOS管M5按和第二NMOS管M2、第三NMOS管M3的宽长比之比(W/L)5,6：(W/L)2,3精确复制第二NMOS管M2、第三NMOS管M3的漏电流，此时电流流过第一电容C1，第一电容C1通过该电流通路(C1-M4-M5)放电，由于电流保持不变每个脉冲信号使第一电容C1流失的电荷量基本相等，第一电容C1的电压降ΔVstep保持一致，输出电压Vout因此有较好的线性度。当没有光子来临，雪崩脉冲信号Vpulse为低电平，第一NMOS管M1不导通，此时电流镜单元没有电流流入，第一电容C1上的电压保持不变。如图2所示，其中雪崩脉冲信号Vpulse可以用脉冲信号模拟，周期为10ns，脉冲宽度设为5ns，即占空比为50％。
(3)读出阶段：电路的读出通过一个电压跟随器实现。第一电容C1上的电压通过电压跟随器中第六NMOS管M6的栅极输入，从带负载的源极输出，观察输出电压Vout的变化即得到第一电容C1上电压的变化。
该电流镜除了保证第三NMOS管M3和第五NMOS管M5的漏源电压相同可以精确复制电流的特点，第三NMOS管M3和第五NMOS管M5构成基本电流镜，加上第二NMOS管M2和第四NMOS管M4构成共源共栅电路，电路输出阻抗高。并且，当所有MOS管工作在饱和状态，设第四NMOS管M4的漏源电压为Vds4，第五NMOS管M5的漏源电压为Vds5，第五NMOS管M5的阈值电压为Vth5，所以在饱和状态下，只需让偏置电压Vbias为Vth5+Vds5+Vds4,饱和压降一般在0.2-0.3V之间小于MOS管阈值电压，电流镜允许输出的最小电压就从Vds4+Vth5降到Vds4+Vds5，这样就可以提高输出电压摆幅，增大线性计数的动态范围。最终输出电压如图波形如图3。
为使模拟计数电路的线性计数范围更大，应使每次放电的电流减小，这样每次第一电容C1上的电压变化就会减小，达到更高次的计数。第一电容C1的取值可以通过仿真找到的最折衷的取值，第一电容C1太小会影响存储电荷总量，影响计数范围；第一电容C1过大首先会影响版图面积，其次在仿真中发现第一电容C1达到pF时计数的范围也会下降，本实施例中第一电容C1的取值是通过仿真得到的500fF；根据电流镜特点，设第四NMOS管M4、第五NMOS管M5的漏电流为I5，6，第二NMOS管M2、第三NMOS管M3的漏电流为I2，3,，I4，5：I2，3＝(W/L)4,5：(W/L)2,3，本实施例中令第二NMOS管M2、第三NMOS管M3的宽长比(W/L)2,3一致，第四NMOS管M4、第五NMOS管M5的宽长比(W/L)4,5一致，利用CMOS 0.18um的工艺进行仿真，设置(W/L)2,3：3，所以第四NMOS管M4、第五NMOS管M5的漏电流就会减小到第二NMOS管M2、第三NMOS管M3漏电流的
模拟计数电路的输出波形如图3所示，复位信号Vres首先迅速给第一电容C1充电到5V，在雪崩脉冲信号Vpulse到来之前都维持不变。雪崩脉冲信号Vpulse来临时，输出电压Vout波形呈阶梯状下降，每10ns一个雪崩脉冲信号Vpulse来临就会引起电压下降一阶。当输出电压Vout越来越小时，电路的线性度也会变差，即第一电容C1的电压降ΔVstep的变化不一致。在线性度较好的范围内，本实施例中模拟计数电路给第一电容C1充电一次可实现400余次计数。
本实施例利用MOS管搭建的模拟计数电路只用到9只MOS管就可以实现计数功能，从版图上减小了芯片面积，同时利用低压下工作的电流镜放电，能够实现比一般模拟计数电路更大的输出电压摆幅，提高了计数范围。
本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
Claims (5)
1.一种用于单光子探测器的模拟计数电路，包括脉冲整形单元、电流镜单元、复位单元和电压跟随器，
所述脉冲整形单元的输入端作为所述模拟计数电路的输入端，其输出端连接所述电流镜单元的输入端；
所述复位单元的输入端连接复位信号(Vres)，其输出端连接所述电流镜单元的输出端和所述电压跟随器的输入端；
其特征在于，所述电流镜单元包括第一NMOS管(M1)、第二NMOS管(M2)、第三NMOS管(M3)、第四NMOS管(M4)和第五NMOS管(M5)，
第一NMOS管(M1)的栅极作为所述电流镜单元的输入端，其漏极连接电源电压(VDD)，其源极连接第二NMOS管(M2)的漏极以及第三NMOS管(M3)和第五NMOS管(M5)的栅极；
第四NMOS管(M4)的栅极连接第二NMOS管(M2)的栅极并连接偏置电压(Vbias)，其源极连接第五NMOS管(M5)的漏极，其漏极作为所述电流镜单元的输出端；
第三NMOS管(M3)的漏极连接第二NMOS管(M2)的源极，其源极连接第五NMOS管(M5)的源极并接地(GND)；
所述电压跟随器包括第六NMOS管(M6)和第七NMOS管(M7)，第六NMOS管(M6)的栅极作为所述电压跟随器的输入端，其漏极连接电源电压，其源极连接第七NMOS管(M7)的栅极和漏极并作为所述模拟计数电路的输出端，第七NMOS管(M7)的源极接地(GND)。
2.根据权利要求1所述的用于单光子探测器的模拟计数电路，其特征在于，所述脉冲整形单元包括第八NMOS管(M0)，第八NMOS管(M0)的栅极连接电源电压(VDD)，其源极作为所述脉冲整形单元的输入端，其漏极作为所述脉冲整形单元的输出端。
3.根据权利要求1所述的用于单光子探测器的模拟计数电路，其特征在于，所述复位单元包括第一PMOS管(M8)和第一电容(C1)，
第一PMOS管(M8)的栅极作为所述复位单元的输入端，其源极连接第一电容(C1)的一端并连接电源电压(VDD)，其漏极连接第一电容(C1)的另一端并作为所述复位单元的输出端。
4.根据权利要求2所述的用于单光子探测器的模拟计数电路，其特征在于，所述所有NMOS管的衬底与地电压(GND)连接。
5.根据权利要求3所述的用于单光子探测器的模拟计数电路，其特征在于，所述第一PMOS管(M8)的衬底与电源电压(VDD)连接。
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|---|---|---|---|---|
| CN108036862A (zh) * | 2017-11-22 | 2018-05-15 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 一种交叉条形阳极的32路前端电路板 |
| CN108036862B (zh) * | 2017-11-22 | 2019-09-27 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 一种交叉条形阳极的32路前端电路板 |
| CN112953414A (zh) * | 2021-03-19 | 2021-06-11 | 中国兵器工业集团第二一四研究所苏州研发中心 | 一种像元级的放大器电路 |
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