CN108681362B - 一种阵列单光子雪崩光电二极管增益自适应调节电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种阵列单光子雪崩光电二极管增益自适应调节电路，包括：电流偏置电路，用于为每个SPAD像素单元提供相等的电流；电流监测电路，由电流镜电路构成，用于根据监测的SPAD像素单元电流判断其工作状态，并输出不同电压信号用于对SPAD像素单元进行增益控制以及作为主动淬灭电路的输入信号；主动淬灭电路，用于根据电流监测电路的输出电压信号生成和输出脉冲信号，以控制淬灭管导通实现雪崩信号的淬灭，为下一次检测光子的到来做准备。本发明采用电流模的控制方法，自适应调节SPAD的反偏电压，克服了传统电压模方式控制复杂的缺点，适合阵列应用，易于扩展，实现了阵列单光子雪崩光电二极管增益一致性检测。

Description

一种阵列单光子雪崩光电二极管增益自适应调节电路

技术领域

本发明涉及一种阵列单光子雪崩光电二极管增益自适应调节电路，属于单光子探测的技术领域。

背景技术

工作于盖革模式下的雪崩光电二极管(APD)具有单光子的探测能力，因此又可称为单光子雪崩光电二极管(SPAD)，为最具实用性的单光子探测器。单光子探测技术可以检测极微弱的光信号，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。当前，单光子探测器正在向集成化、阵列化的方向发展。

由于工艺的离散性，导致探测器反向击穿电压不一致。所以SPAD在阵列应用中，若对每个SPAD像素单元统一供电，将导致每个SPAD单元过偏压不一致，出现增益的非均匀性问题，在实际应用中容易引起检测误差。因此在阵列应用中需要重点解决阵列型SPAD增益一致性问题。

现有的解决方法都是使阵列型SPAD偏置于电压模式下实现，即直接调节SPAD的反偏电压。电压模式偏置的电路通常需要配有反偏电压调节电路，通过调节SPAD的反向偏压使每一个像素都具有近似一致的过偏压，保证SPAD增益的一致性。然而在阵列应用中，这些方法要为每个像素单元的探测器提供可调的反偏电压，电路结构复杂，控制端较多，无疑增加了电路的设计难度、芯片面积和功耗。随着阵列规模的不断扩展以及像素单元面积的缩小，这种直接调节SPAD反偏电压的调节方法几乎不可能实现。

发明内容

为了克服工艺的离散性造成的阵列SPAD反向击穿电压的不一致性，解决电压模式反偏电压调节电路设计复杂的问题，提供一种阵列单光子雪崩光电二极管增益自适应调节电路，引入了基于电流模式的反偏电压调节思想，实现阵列型SPAD增益的自适应调节，大大简化了电路设计的复杂度，降低了所需外接控制引脚的数目和芯片的面积。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种阵列单光子雪崩光电二极管增益自适应调节电路，包括：

电流偏置电路，用于为每个SPAD像素单元提供相等的电流，通过电流镜可以将偏置电流轻松地复制给每个SPAD像素单元，有效保证了SPAD性能的一致性。

电流监测电路，由电流镜电路构成，用于根据监测的SPAD像素单元电流判断其工作状态，并输出不同电压信号用于对SPAD像素单元进行增益控制以及作为主动淬灭电路的输入信号；

主动淬灭电路，用于根据电流监测电路的输出电压信号生成和输出脉冲信号，以控制淬灭管导通实现雪崩信号的淬灭，为下一次检测光子的到来做准备。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述电流偏置电路由恒流源和连接恒流源的共源共栅电流镜电路构成。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述电流监测电路的电流镜电路由两个NMOS管组成的共源共栅电路构成。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述电流监测电路输出不同电压信号，具体为：

根据监测SPAD像素单元电流大小判断SPAD的工作状态，若SPAD工作于低增益盖革区，则电流监测电路输出对SPAD进行反偏电压的自适应调节的电压信号，使得SPAD像素单元的电流等于电流监测电路的输出电流；若SPAD工作于高增益雪崩区，则电流监测电路输出电压信号作为光子到来的监测信号，作为主动淬灭电路的触发信号。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述主动淬灭电路包括比较器comp、电阻R、电容C以及PMOS淬灭管Mq，其中比较器comp的反向输入端接电流监测电路的输出端,比较器comp的正向输入端通过由电阻R和电容组成的RC延时网络连接至比较器的反向输入端，比较器的输出端接PMOS淬灭管Mq的栅极，及PMOS淬灭管Mq的源极连接电源端且漏极连接SPAD像素单元的阳极。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述主动淬灭电路还包括设置比较器中CMOS器件的W/L产生可控的失调电压，作为比较器状态翻转的比较阈值，避免噪声信号的干扰造成的光子到来的误判。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：使能PMOS管Men用于控制整个电路的工作状态。

本发明采用上述技术方案，能产生如下技术效果：

(1)本发明采用了一种可用于阵列单光子雪崩二极管的增益调节电路，通过对SPAD像素单元电流的实时监测，判断SPAD所处的工作区域，并在低增益盖革区对SPAD的反偏电压进行反馈控制，实现阵列SPAD的增益一致性检测，避免了对阵列SPAD进行反偏电压的直接调节，是一种自适应调节方法。

(2)本发明采用的电流监测电路是一种电流镜电路，电路结构简单，但电流传输精度较高，且在SPAD不同的工作状态下能输出不同的电压信号，用于SPAD的增益和工作模式控制。此种增益控制方法电路结构简单，易于扩展，可用于大阵列系统。

(3)本发明在检测雪崩时不需要额外的参考电压产生电路，比较器的正向输入端直接通过一个RC延时网络输入比较器的反向输入端，因此电路面积紧凑，适用于阵列型SPAD电路。为了防止噪声信号等的干扰造成的光子到来的误判，可以通过设置比较器中CMOS器件的W/L产生可控的失调电压作为比较器状态翻转的比较阈值。

(4)本发明采用的主动淬灭电路，利用了SPAD雪崩击穿时急剧增加的电流导致电流监测电路输出电压的大幅增加，并将该电压控制淬灭管开启，实现雪崩信号的淬灭。对比传统的主动淬灭电路，无需要电阻、电容等器件来感应雪崩时SPAD的电流，因此淬灭速度快、面积紧凑。

附图说明

图1是SPAD探测器的V-I特性曲线图。

图2是现有技术中电压模反偏电压调节电路的结构框架图。

图3(a)和图3(b)分别是现有的电压模偏置和本发明的电流模偏置原理图。

图4是本发明的一种阵列单光子雪崩光电二极管增益自适应调节电路结构图。

图5是本发明中电流监测电路原理图。

图6(a)和图6(b)分别是本发明中电流镜电路基本结构、非理想恒流特性图。

图7是本发明中具体电流监测实施电路图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的实施方式进行描述。

SPAD探测器的V-I特性曲线如图1所示，SPAD的工作区域可以分为：截止区、线性区、低增益盖革区、高增益雪崩区，电压与电流是一种非线性关系，电流是直接反应探测器增益特性的信号。

从图3(a)中可以看出，因为SPAD探测器的V-I特性曲线在盖革区比较陡峭，如果反偏电压发生微小变化，那么反偏电流就会产生剧烈变化。如果使阵列中的每个SPAD都工作于相同的反向偏压下，此时各SPAD的过偏压分布并不一致，电流及增益并不相同，出现增益的非均匀性问题，在实际应用中容易引起检测误差。

因此在阵列应用中，电压模式偏置电路通常需要配有反偏电压调节电路，通过调节SPAD的反向偏压使每一个像素都具有近似一致的过偏压，保证SPAD性能的一致性。以图2为例，需要通过移位寄存器给每个SPAD像素单元输入各自的反偏电压。但是因为各个像素反偏电压各不相同，给每个SPAD像素单元定制各自的反偏电压输入的工作量很大，尤其随着阵列规模的扩大，这种电压模式反偏电压调节方法将造成极大的电路设计难度、芯片面积和功耗。

为了克服工艺的离散性造成的阵列SPAD反向击穿电压的不一致性，解决电压模式反偏电压调节电路设计复杂的问题，本发明提出一种阵列单光子雪崩光电二极管增益自适应调节电路，来抑制阵列单光子雪崩光电二极管增益非均匀性问题，采用电流模的控制方法，将工作于低增益盖革区域的SPAD偏置在相同的电流下，自适应调节SPAD的反偏电压，保证SPAD增益的一致性。基本电流模的思路源于图3(b)，因为偏置在盖革模式下的V-I特性曲线比较陡峭，如果使阵列SPAD中的每个像素单元工作于相同的反偏电流下，则各SPAD像素单元的过偏电压和工作状态就能够近似一致即增益的一致。

具体的，如图4所示，本发明提出一种阵列单光子雪崩光电二极管增益自适应调节电路，主要包括：电流偏置电路、电流监测电路、主动淬灭电路，以及还包括使能PMOS管M_en。其中，本实施例给出的电路中，电流偏置电路由恒流源I_DC、NMOS管M₁、NMOS管M₂和NMOS管M₃构成，其中恒流源接NMOS管M₁和M₃的漏极，NMOS管M₁的栅漏短接，NMOS管M₃的源极接NMOS管M₂的漏极，NMOS管M₃的漏极接M₂的栅极；电流监测电路由NMOS管M_{2_i}和M_{3_i}组成的共源共栅电路构成，其中，NMOS管M_{2_i}的栅极与电流偏置电路中的NMOS管M₂的栅极短接，NMOS管M_{3_i}的栅极与NMOS管M₃的栅极短接，NMOS管M_{3_i}的源极接NMOS管M_{2_i}的漏极，且电流监测电路中的M_{3_i}的漏极即电流监测电路的输出端接SPAD的阳极；主动淬灭电路由比较器comp、电阻R、电容C以及PMOS淬灭管Mq构成，其中，主动淬灭电路中的比较器comp的反向输入端接电流监测电路的输出端,比较器comp的正向输入端通过一个由电阻R和电容组成的RC延时网络接在了比较器的反向输入端，比较器的输出端接PMOS淬灭管Mq的栅极，且PMOS淬灭管Mq的源极接VDD，漏极接SPAD的阳极；使能PMOS管M_en的源极接VDD，栅极接EN信号，漏极接SPAD的阳极。

以及，该电路还可以通过使能PMOS管M_en控制整个电路的工作状态。将每个使能PMOS管M_en连接至SPAD像素单元，只有当EN信号为高电平时各SPAD像素单元才能正常工作，当EN信号为低电平时，SPAD像素单元的阳极被拉到了V_DD，此时，所有SPAD像素单元都处于淬灭状态。

所述电流偏置电路，为阵列SPAD中每个SPAD像素单元提供相等的电流，其中由NMOS管M₁、M₂和M₃构成的宽摆幅的共源共栅电流镜电流传输电路，恒流源I_DC通过共源共栅电流镜将此电流传输给阵列中的每个SPAD像素单元。采用共源共栅结构可以减小因沟道长度调制效应对电流镜匹配性产生的影响。电流偏置电路作为阵列SPAD电流调节的公共部分，使得利用一个电流偏置电路即可为阵列中每个SPAD像素单元提供相等的电流，且电流镜可以将偏置电流轻松地复制给每个SPAD像素单元，有效保证了SPAD性能的一致性。此外，该电流偏置电路还采用了宽摆幅结构，相比于普通的共源共栅结构，这样做可以增加SPAD阳极电压的调节范围。

本发明采用的电流监测电路原理图如图5所示，根据监测到的SPAD像素单元电流判断其工作状态，并输出不同电压信号用于对SPAD像素单元进行增益控制以及作为主动淬灭电路的输入信号。若SPAD像素单元工作于线性区，则输出近似为0的低电压，而随着偏压增加SPAD像素单元开始进入低增益盖革区，此时SPAD像素单元的两端反向偏压将自适应调节，使SPAD像素单元上流过的电流与基准电流一致，保证SPAD的增益为预设值。若SPAD像素单元工作于高增益雪崩区，此时SPAD输出雪崩电压信号，用于后续主动淬灭电路处理。

为实现上述目的，本发明在电路上考虑电流镜方案，如图6(a)基本NMOS电流镜电路所示，其输出电流I_O与输入参考电流I_ref的比例关系为：

其中，W/L指的是MOS管的宽长比，V_DS指的是MOS管的漏源电压，λ指的是沟道长度调制系数，I_ref指的是输入参考电流，I_O指的是电流镜的输出电流，V_O指的是电流镜的输出电压。

当V_DS＝V_O时，输出电流与输入电流的关系只与两个MOS管的宽长比有关，通过控制两个MOS管的宽长比，可以实现对参考电流的成比例复制。但由于输出电位V_O可在一定的范围内变化，通常条件下V_DS≠V_O，由于沟道长度调制效应，输入输出电流之间一定存在状态可变的电流不匹配，引入非线性失真。沟道长度调制效应带来的非理想恒流特性如图6(b)所示，λ的典型值在0.05至0.005之间，MOS管工作于饱和区的这种非线性恒流特性可以用于监测SPAD雪崩事件。假设有大量外部电流灌入M₂的漏极的话，由于NMOS管M₁管流过的电流保持I_ref不变，所以V_GS1保持不变，故V_GS2保持不变，当λ较小时NMOS管M₂的V_DS2大幅度增加，即V_O大幅度增加。

利用上述电流镜原理，本发明设计的具体电流监测实施电路如图7所示，电流监测电路采用由NMOS管M_{2_i}和M_{3_i}构成的电流镜电路，其中，i的数量由SPAD像素单元的数量决定，其实施过程是：

如果监测到的电流I_O几乎为0，则表征SPAD像素单元处于线性模式，此时SPAD的阳极电压，即V_O也会被钳位在0V附近。

如果监测到的电流I_O为几微安，则表征SPAD像素单元处于低增益盖革区。假设某一上电时刻电流监测电路的输出电流大于SPAD上流过的电流，此时V_O会自适应降低，但幅度较小。对于电流监测电路而言，V_O的微小变化并不会影响其电流大小，但是，SPAD像素单元上的电流对于反偏电压的变化十分明显，造成SPAD像素单元上的电流较大幅度得升高。经过上述V_O自适应变化即SPAD反偏电压的自适应调节，SPAD像素单元上流过的电流等于电流监测电路的输出电流，即等于电流偏置电路预设的电流。可知阵列中的SPAD的反偏电压会自适应电流偏置电路预设的电流，保证阵列中各个SPAD像素单元的过偏压一致，电流相等故增益一致。

如果监测到的电流I_O为几百微安甚至毫安级大电流，则表征SPAD像素单元处于高增益雪崩区，此时有大量外部电流灌入电流监测电路而使其电流迅速增大。因为NMOS管M₁、M₂、M₃管的电流I_ref保持不变，故V_GS1、V_GS2保持不变，即NMOS管M_{2_i}和M_{3_i}的栅电压保持不变。但是由于NMOS管M_{2_i}和M_{3_i}的电流增加，故NMOS管M_{2_i}和M_{3_i}管的漏端电压均上升且M_{3_i}管的漏端电压上升幅度更明显，该输出电压信号将作为主动淬灭电路的触发信号。

所述主动淬灭电路由比较器comp，电阻R和电容C以及PMOS淬灭管Mq组成，用于根据电流监测电路的输出信号并对发生雪崩击穿的SPAD进行淬灭。比较器的反向输入端直接接入SPAD的阳极，比较器的正向输入端通过一个RC延时网络接入比较器的反向输入端，不需要额外的参考电压产生电路。光子到来后，SPAD发生雪崩击穿，在短时间内会产生大量的光电流，该电流灌入电流监测电路使其输出电压迅速上升。由于比较器的正向输入端是通过一个RC延时网络接在了比较器的反向输入端，所以比较器的正向输入端变化速度慢于比较器的反向输入端，故比较器输出一个负脉冲信号。为了防止噪声信号的干扰造成的光子到来的误判，可以通过设置比较器中CMOS器件的W/L产生可控的失调电压作为雪崩信号的检测阈值。当比较器输出一个负脉冲信号后，PMOS淬灭管Mq导通，随后会将SPAD像素单元的阳极上拉到V_DD，使SPAD像素单元离开盖革模式。在经过一定的死区时间后，Vq恢复高电平，SPAD像素单元又复位到待测状态，为下一次光子到来做准备。

综上，本发明的一种可用于阵列单光子雪崩二极管的增益调节电路，通过电路来抑制阵列单光子雪崩二极管增益非均匀性问题，采用电流模的控制方法，自适应调节SPAD的反偏电压，克服了传统电压模方式控制复杂的缺点，适合阵列应用，易于扩展，实现了阵列单光子雪崩光电二极管增益一致性检测。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (6)

1.一种阵列单光子雪崩光电二极管增益自适应调节电路，其特征在于，包括：

电流偏置电路，用于为每个SPAD像素单元提供相等的电流；

电流监测电路，由连接电流偏置电路的电流镜电路构成，用于根据监测的SPAD像素单元电流判断其工作状态，并输出不同电压信号用于对SPAD像素单元进行增益控制以及作为主动淬灭电路的输入信号；

其中电流监测电路输出不同电压信号，具体为：

根据监测SPAD像素单元电流大小判断SPAD的工作状态，若SPAD工作于低增益盖革区，则电流监测电路输出对SPAD进行反偏电压的自适应调节的电压信号，使得SPAD像素单元的电流等于电流监测电路的输出电流；若SPAD工作于高增益雪崩区，则电流监测电路输出电压信号作为光子到来的监测信号，作为主动淬灭电路的触发信号；

主动淬灭电路，用于根据电流监测电路的输出电压信号生成和输出脉冲信号，以控制淬灭管导通实现雪崩信号的淬灭，为下一次检测光子的到来做准备。

2.根据权利要求1所述阵列单光子雪崩光电二极管增益自适应调节电路，其特征在于：所述电流偏置电路由恒流源和连接恒流源的共源共栅电流镜电路构成。

3.根据权利要求1所述阵列单光子雪崩光电二极管增益自适应调节电路，其特征在于：所述电流监测电路的电流镜电路由两个NMOS管组成的共源共栅电路构成。

4.根据权利要求1所述阵列单光子雪崩光电二极管增益自适应调节电路，其特征在于：所述主动淬灭电路包括比较器comp、电阻R、电容C以及PMOS淬灭管Mq，其中比较器comp的反向输入端接电流监测电路的输出端,比较器comp的正向输入端通过由电阻R和电容C组成的RC延时网络连接至比较器comp的反向输入端，比较器comp的输出端接PMOS淬灭管Mq的栅极，及PMOS淬灭管Mq的源极连接电源端且漏极连接SPAD像素单元的阳极。

5.根据权利要求4所述阵列单光子雪崩光电二极管增益自适应调节电路，其特征在于：所述主动淬灭电路还包括设置比较器comp中CMOS器件的宽长比W/L产生可控的失调电压，作为比较器comp状态翻转的比较阈值。

6.根据权利要求1所述阵列单光子雪崩光电二极管增益自适应调节电路，其特征在于：还包括使能PMOS管，用于控制整个电路的工作状态。

Images