CN110044479B - 一种基于无时钟电流舵dac结构的硅光电倍增管 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种硅光电倍增管技术，具体涉及一种基于无时钟电流舵DAC结构的硅光电倍增管，包括信号输出模块和若干像素模块，像素模块，用于生成差分电流信号；信号输出模块，用于将若干像素模块的差分电流信号转化为差分电压信号。本发明具有极高增益和时间分辨率，还具有更小的电容负载、更高的带宽、更低时抖动和更小的后脉冲概率，降低了单光子雪崩二极管输出对增益变化的敏感度，改善了单光子雪崩二极管阵列击穿电压不一致导致的增益非均匀性，减少了由于背景光和暗计数产生的误触发信号的情况。

Description

一种基于无时钟电流舵DAC结构的硅光电倍增管
技术领域
本发明属于光电探测领域，具体涉及一种基于无时钟电流舵DAC结构的硅光电倍增管。
背景技术
硅光电倍增管(Silicon photomultiplier，国际上简称SiPM)，HAMAMATSU根据原理叫做MPPC(multi-pixel photon counter)是一种新型的光电探测器件，由工作在盖革模式的雪崩二极管阵列组成，具有增益高、灵敏度高、偏置电压低、对磁场不敏感、结构紧凑等特点。它发明于二十世纪九十年代末，广泛应用于高能物理及核医学(PET)等领域，最近几年来在核医学领域发展迅速，被广泛认为是可以未来极微弱光探测器的发展方向。
光电检测器件是光电信息技术的关键组成部分，由于雪崩光电二极管(AvalanchePhotodiode，APD)具有高增益和高灵敏度，因此在光电一体化技术中得到广泛应用。APD是一种利用载流子的雪崩倍增效应来放大射入的微弱光信号以提高检测灵敏度的光检测二极管，但雪崩倍增造成的增益有限，而且与增益相关的过剩噪声源同时也限制了APD可获得的最大增益。线性模式采用固定偏置，控制简单，但需要采用附加增益，弥补APD增益的不足，提高检测灵敏度。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于无时钟电流舵DAC结构的硅光电倍增管。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
一种基于无时钟电流舵DAC结构的硅光电倍增管，包括：信号输出模块和若干像素模块，
所述像素模块，用于生成差分电流信号；
所述信号输出模块，用于将所述若干像素模块的差分电流信号转化为差分电压信号；
所述像素模块的输出端与信号输出模块的输入端连接。
在本发明的一个实施例中，所述若干像素模块在同一平面呈正方形排布。
在本发明的一个实施例中，所述像素模块包括：雪崩二极管像素单元、淬灭电路和电流源电路，
所述雪崩二极管像素单元，用于产生雪崩电流脉冲；
所述淬灭电路，用于根据所述雪崩电流脉冲得到脉冲电压信号；
所述电流源电路，用于根据所述脉冲电压信号得到差分电流信号；
所述雪崩二极管像素单元的输出端与淬灭电路的输入端连接，淬灭电路的输出端与电流源的输入端连接，电流源的输出端与信号输出模块。
在本发明的一个实施例中，还包括偏置电路模块，
所述偏置电路模块，用于为所述电流源电路单元提供偏置电压；
所述偏置电路模块的输出端分别与若干像素模块内的电流源电路的偏置输入端连接。
在本发明的一个实施例中，还包括电源模块，所述电源模块为所述像素模块提供电源，所述电源模块的电源输出端与雪崩二极管像素单元的电源输入端连接。
在本发明的一个实施例中，所述雪崩二极管像素单元包括单光子雪崩二极管。
在本发明的一个实施例中，所述电流源电路包括传输门单元TG1、反相器I1、反相器I2、反相器I3、PMOS管M1、PMOS管M2、MOS管M3和PMOS管M4；
所述PMOS管M1的源极与所述电源模块连接，所述PMOS管M1的栅极与所述偏置电路的Vb1输出端连接，所述PMOS管M1的漏极与所述PMOS管M2的源极相连接；所述PMOS管M2的栅极与所述偏置电路的Vb2输出端连接，所述PMOS管M2的漏极分别与所述PMOS管M3的源极和所述PMOS管M4的源极连接；所述反相器I1的输入端与所述淬灭电路的输出端连接，所述I1的输出端与所述反相器I2的输入端连接；所述I2的输出端与PMOS管M3的栅极连接；所述I3的输出端与所述PMOS管M3的栅极连接；所述传输门单元TG1的输出端与所述反相器I3的输入端连接，所述I3的输出端与所述PMOS管M4的栅极连接。
在本发明的一个实施例中，所述信号输出模块为差分信号输出电路，若干所述开关电流源电路的PMOS管M3、PMOS管M4分别并联，并分别与所述差分信号输出电路的两个输入端连接。
本发明的有益效果：
1、本发明中由多个单光子雪崩二极管像素单元组成一个硅光电倍增管像素模块，组成硅光电倍增管像素模块的所有单光子雪崩二极管的雪崩电流并联合为一路输出，因此具有极高增益和时间分辨率，克服了线性模式下APD增益较低的缺点；
2、本发明中硅光电倍增管像素模块由多个单光子雪崩二极管像素单元构成，因此像素总的寄生电容会相对减小，后脉冲概率和时钟抖动也会得到改善；
3、本发明输出电压的幅度与入射到传感器上的光子数目成比例，因此不但可以检测到光子的到来，还可以输出光照强度信息；
4、本发明每个单光子雪崩二极管像素单元的雪崩输出电流由相同偏置的共源共栅电流源提供，因而降低了SPAD输出对增益变化的敏感度，可改善SPAD阵列击穿电压不一致导致的增益非均匀性。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种基于无时钟电流舵DAC结构的硅光电倍增管的硅光电倍增管像素模块结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种基于无时钟电流舵DAC结构的硅光电倍增管的硅光电倍增管的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的一种基于无时钟电流舵DAC结构的硅光电倍增管的硅光电倍增管像素模块整体示意图；
图4是本发明实施例提供的一种基于无时钟电流舵DAC结构的硅光电倍增管的雪崩光电二极管电压-电流特性曲线图；
图5是本发明实施例提供的一种基于无时钟电流舵DAC结构的硅光电倍增管的开关电流源电路结构示意图；
图6是本发明实施例提供的一种基于无时钟电流舵DAC结构的硅光电倍增管的示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
如图1所示，图1是本发明实施例提供的一种基于无时钟电流舵DAC结构的硅光电倍增管的硅光电倍增管像素模块结构示意图，一种基于无时钟电流舵DAC结构的硅光电倍增管，包括：包括：信号输出模块和若干像素模块，
所述像素模块，用于生成差分电流信号；
所述信号输出模块，用于将所述若干像素模块的差分电流信号转化为差分电压信号；
所述像素模块的输出端与信号输出模块的输入端连接。
在本发明的一个实施例中，所述若干像素模块在同一平面呈正方形排布。
具体的，如图3所示，图3是本发明实施例提供的一种基于无时钟电流舵DAC结构的硅光电倍增管的硅光电倍增管像素模块整体示意图，N×N个像素模块在同一平面呈正方形排布。
如图2所示，图2是本发明实施例提供的一种基于无时钟电流舵DAC结构的硅光电倍增管的硅光电倍增管的结构示意图，在本发明的一个实施例中，所述像素模块包括：雪崩二极管像素单元、淬灭电路和电流源电路，
所述雪崩二极管像素单元，用于产生雪崩电流脉冲；
所述淬灭电路，用于根据所述雪崩电流脉冲得到脉冲电压信号；
所述电流源电路，用于根据所述脉冲电压信号得到差分电流信号；
所述雪崩二极管像素单元的输出端与淬灭电路的输入端连接，淬灭电路的输出端与电流源的输入端连接，电流源的输出端与信号输出模块。
在本发明的一个实施例中，还包括偏置电路模块，
所述偏置电路模块，用于为所述电流源电路单元提供偏置电压；
所述偏置电路模块的输出端分别与每一个像素模块内的电流源电路的偏置输入端连接。
在本发明的一个实施例中，还包括电源模块，所述电源模块为所述像素模块提供电源，所述电源模块的电源输出端与雪崩二极管像素单元的电源输入端连接。
具体的，电流源模块为高压电源HVDD。
在本发明的一个实施例中，所述雪崩二极管像素单元包括单光子雪崩二极管。
在本发明的一个实施例中，所述电流源电路包括传输门单元TG1、反相器I1、反相器I2、反相器I3、PMOS管M1、PMOS管M2、MOS管M3和PMOS管M4；
所述PMOS管M1的源极与所述电源模块连接，所述PMOS管M1的栅极与所述偏置电路的Vb1输出端连接，所述PMOS管M1的漏极与所述PMOS管M2的源极相连接；所述PMOS管M2的栅极与所述偏置电路的Vb2输出端连接，所述PMOS管M2的漏极分别与所述PMOS管M3的源极和所述PMOS管M4的源极连接；所述反相器I1的输入端与所述淬灭电路的输出端连接，所述I1的输出端与所述反相器I2的输入端连接；所述I2的输出端与PMOS管M3的栅极连接；所述I3的输出端与所述PMOS管M3的栅极连接；所述传输门单元TG1的输出端与所述反相器I3的输入端连接，所述I3的输出端与所述PMOS管M4的栅极连接。
在本发明的一个实施例中，所述信号输出模块为差分信号输出电路，若干所述开关电流源电路的PMOS管M3、PMOS管M4分别并联，并分别与所述差分信号输出电路的两个输入端连接。
具体的，由多个单光子雪崩二极管像素单元组成一个硅光电倍增管像素模块，组成硅光电倍增管像素模块的所有单光子雪崩二极管的雪崩电流并联合为一路输出，因此具有极高增益和时间分辨率，克服了线性模式下APD增益较低的缺点。
具体的，硅光电倍增管像素模块由多个小直径的单光子雪崩二极管像素单元构成，因此像素总的寄生电容会相对减小，后脉冲概率和时钟抖动也会得到改善。
具体的，单光子雪崩二极管工作在盖革模式，实现光信号到电信号的转换。淬灭电路可感应由单光子雪崩二极管触发的雪崩电流脉冲，并产生脉冲电压信号，快速降低单光子雪崩二极管两端电压至击穿电压以下，使雪崩淬灭。然后单光子雪崩二极管复位至盖革模式。开关电流源电路根据淬灭电路产生的脉冲电压信号作为开关控制信号，将电流源的电流输出至同向输出端或反相输出端。偏置电路为各开关电流源电路提供偏置。
具体的，差分输出电路由每端一个电阻连接至接地端，将每个单光子雪崩二极管单元电路产生的电流信号合成一路并转化为电压信号差分输出。
具体的，偏置电路包括Vb1、Vb2两个输出端口，输出端口Vb1与M1的栅极连接，输出端口Vb2与M2的栅极连接。
具体的，淬灭电路的输出VPULSE信号连接至开关电流源电路的输入端，开关电流源电路输出两路差分电流信号IN和IP。差分电流信号IN和IP分别输入差分信号输出电路，差分信号输出电路将差分电流信号转化为两路差分电压信号VOUTP和VOUTN作为电路的输出信号。
具体的，请参见图4，图4是本发明实施例提供的一种基于无时钟电流舵DAC结构的硅光电倍增管的雪崩光电二极管电压-电流特性曲线图，从图中可以看出，雪崩光电二极管因不同的外加反偏电压而工作在不同的模式。当反偏电压较小时，器件工作在光电二极管模式，此时单光子雪崩二极管所产生的反向电流和光照强度成正比；当反偏电压无限接近雪崩击穿电压时，单光子雪崩二极管吸收一个光子可以激发出有限个电子空穴对，单光子雪崩二极管工作在线性模式，对光生载流子具有线性放大的作用，具有有限增益；当反偏电压大于雪崩击穿电压时，器件工作在盖革模式(Geiger mode)，在该模式下单个光子就可以猝发APD发生雪崩而产生雪崩电流，并且此时，雪崩增益无穷大。
具体的，当单光子雪崩二极管由于单光子触发雪崩电流脉冲，淬灭单路产生脉冲电压信号，随后快速降低单光子雪崩二极管两端电压直至低于单光子雪崩二极管的击穿电压，使雪崩淬灭。然后再复位单光子雪崩二极管至盖革模式。
具体的，请参见图5，图5是本发明实施例提供的一种基于无时钟电流舵DAC结构的硅光电倍增管的开关电流源电路结构示意图，图中为第i(1≤i≤N×N)个单光子雪崩二极管像素单元中的开关电流源电路，它的差分输出电流为M3漏极电流INi和M4漏极电流IPi。硅光电倍增管像素模块内的N×N个开关电流源电路，它们所产生的差分电流信号合成两路差分电流信号IN和IP。
具体的，差分信号输出电路的IP、IN两个输入端口分别设有电阻R1和电阻R2，差分信号输出电路将总差分电流信号IP和IN转化为两路差分电压信号VOUTP和VOUTN作为电路的输出电压信号。
具体的，PMOS管M1是栅极受偏置电压Vb1控制的电流源，在M1上又叠加了M2管构成共源共栅电流源，提高了输出阻抗。M3和M4组成开关对管，它们在开关控制信号作用下将共源共栅电流源的输出端流入正确输出端或负输出端。淬灭电路输出的脉冲电压信号VPULSE作为开关电流源的控制信号。当没有光子到达单光子雪崩二极管时，脉冲电压信号VPULSE信号为低电平，通过两级反相器单元I1和I2连接至M3的栅极，另一端VPULSE通过以及传输门单元TG1和一级反相器I3连接至M4的栅极，使得此时M3导通，M4截止，共源共栅电流源的电流从M3流出，形成反向输出电流INi。当光子到达单光子雪崩二极管时，单光子雪崩二极管产生雪崩电流，淬灭电路产生的脉冲电压信号VPULSE信号变为高电平，使得此时M3截止，M4导通，共源共栅电流源的电流从M4流出，形成同向输出电流IPi；随后淬灭电路淬灭并复位单光子雪崩二极管，使得脉冲电压信号VPULSE信号恢复至低电平，共源共栅电流源的电流又恢复至从M3流出，形成反向输出电流INi。由于此处传输门单元TG1和三个反相器的延迟时间相同，因此在此处反相器链中加入传输门单元TG1以产生两相相反的信号而保持脉冲电压信号VPULSE信号到开关对管的两条支路延时相等。
具体的，请参见图6，图6是本发明实施例提供的一种基于无时钟电流舵DAC结构的硅光电倍增管的示意图，从图中可以看出，每个单光子雪崩二极管像素单元中共源共栅电流源值为IB，当单光子雪崩二极管未感应到光子时，VPULSE电压信号保持低电平，硅光电倍增管像素模块中每个单光子雪崩二极管像素单元电路电流均从反向输出端INi流出，同相输出端IPi电流为零(1≤i≤N×N)，所有像素单元的同相电流输出端合为一路总同相输s出电流IP；所有像素单元的反相电流输出端合为一路总反相输出电流IN。总同相输出电流IP和总反相输出电流IN分别通过差分输出电路转化为差分电压信号VOUTP和VOUTN，此时VOUTN＝N×N×IBR，VOUTP＝0，VOUT＝-(N×N)×IBR。当单光子雪崩二极管感应到光子时，硅光电倍增管像素模块中有m个单光子雪崩二极管像素单元检测到了光子并发生雪崩，则有m个电流脉冲从同相输出端IPi流出(1≤i≤m)，合为一路总同相输出电流IP，此时IP＝mIB，其余(N×N-m)个单光子雪崩二极管像素单元保持原状态，它们的电流合为一路从反相电流输出端流出，此时总反相输出电流IN＝(N×N-m)IB。当单光子雪崩二极管感应到光子时，VOUTP＝m×IBR，VOUTN＝(N×N-m)×IBR，VOUT＝(2m-N×N)×IBR。进一步的，单光子雪崩二极管未感应到光子与感应到光子作对比，差分输出电压VOUT由-(N×N)×IBR变为(2m-N×N)×IBR，变化幅度为2m×IBR。因此差分输出扩大了电压摆幅并且增大了整体增益。
具体的，本发明属于模拟硅光电倍增管，在模拟硅光电倍增管中每个单光子雪崩二极管的雪崩电流并联输出到一个共同节点上，总的电流与传感器检测到的光子数目成比例，因此可获得极大的增益，同时可检测到同时入射到传感器上的光子数目，输出强度信息。由于单个大的雪崩光电二极管(APD)像元会导致大的寄生电容，寄生电容和外部负载会增大输出信号的上升下降时间，但在硅光电倍增管中每个宏像素由多个小直径的SPAD像素单元构成，因此总的寄生电容会相对变小，后脉冲概率和时钟抖动也会有所改善。传统模拟硅光电倍增管的另一个问题是由于工艺等因素导致的单光子雪崩二极管自身的增益不一致性，这样会导致当施加到SPAD上的反相电压相同时，每个单光子雪崩二极管像素单元的雪崩增益不同，因此会给输出的强度信息带来很大的误差和不确定性。由于本发明中输出电流为相同偏置的共源共栅电流源，因此可改善单光子雪崩二极管阵列的增益不一致的问题。
具体的，本发明实施例的无时钟电流舵DAC多通道单光子雪崩二极管合一的硅光电倍增管作为光电集成探测芯片的重要部分，是激光雷达系统的关键器件之一，同时在生物医疗、航空航天、军事设备等领域也有着广泛应用。随着人工智能、激光雷达和军事设备的快速发展，开展光电探测关键技术的研究对保障国家安全和提高电子系统智能化的核心竞争力具有十分重要的意义。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于无时钟电流舵DAC结构的硅光电倍增管，其特征在于，包括：信号输出模块和若干像素模块，
所述像素模块，用于生成差分电流信号；
所述信号输出模块，用于将所述若干像素模块的差分电流信号转化为差分电压信号；
所述像素模块的输出端与信号输出模块的输入端连接；
所述若干像素模块在同一平面呈正方形排布；
所述像素模块包括：雪崩二极管像素单元、淬灭电路和电流源电路，
所述雪崩二极管像素单元，用于产生雪崩电流脉冲；
所述淬灭电路，用于根据所述雪崩电流脉冲得到脉冲电压信号；
所述电流源电路，用于根据所述脉冲电压信号得到差分电流信号；
所述雪崩二极管像素单元的输出端与淬灭电路的输入端连接，淬灭电路的输出端与电流源的输入端连接，电流源的输出端与信号输出模块连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于无时钟电流舵DAC结构的硅光电倍增管，其特征在于，还包括偏置电路模块，
所述偏置电路模块，用于为所述电流源电路提供偏置电压；
所述偏置电路模块的输出端分别与若干像素模块内的所述电流源电路的偏置输入端连接。
3.根据权利要求2所述的一种基于无时钟电流舵DAC结构的硅光电倍增管，其特征在于，还包括电源模块，所述电源模块为所述像素模块提供电源，所述电源模块的电源输出端与雪崩二极管像素单元的电源输入端连接。
4.根据权利要求3所述的一种基于无时钟电流舵DAC结构的硅光电倍增管，其特征在于，所述雪崩二极管像素单元包括单光子雪崩二极管。
5.根据权利要求3所述的一种基于无时钟电流舵DAC结构的硅光电倍增管，其特征在于，所述电流源电路包括传输门单元TG1、反相器I1、反相器I2、反相器I3、PMOS管M1、PMOS管M2、MOS管M3和PMOS管M4；
所述PMOS管M1的源极与所述电源模块连接，所述PMOS管M1的栅极与所述偏置电路模块的Vb1输出端连接，所述PMOS管M1的漏极与所述PMOS管M2的源极相连接；所述PMOS管M2的栅极与所述偏置电路模块的Vb2输出端连接，所述PMOS管M2的漏极分别与所述PMOS管M3的源极和所述PMOS管M4的源极连接；所述反相器I1的输入端与所述淬灭电路的输出端连接，所述I1的输出端与所述反相器I2的输入端连接；所述I2的输出端与PMOS管M3的栅极连接；所述I3的输出端与所述PMOS管M3的栅极连接；所述传输门单元TG1的输出端与所述反相器I3的输入端连接，所述I3的输出端与所述PMOS管M4的栅极连接。
6.根据权利要求5所述的一种基于无时钟电流舵DAC结构的硅光电倍增管，其特征在于，所述信号输出模块为差分信号输出电路，若干所述电流源电路的PMOS管M3、PMOS管M4分别并联，并分别与所述差分信号输出电路的两个输入端连接。
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