CN110061727B - 单光子雪崩二极管探测器的快速淬灭/复位电路及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了单光子雪崩二极管探测器的快速淬灭/复位电路及其方法。目前有完成单光子雪崩光电二极管淬灭恢复功能的电路设计，但是其淬灭复位的时间还有提高的空间。本发明单光子雪崩二极管探测器的快速淬灭/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和延迟保持电路。第一MOS管M1、第二MOS管M2及第四MOS管M4为NMOS管。第三MOS管M3及第五MOS管M5为PMOS管。本发明在淬灭过程中，雪崩二极管SPAD的阴极接至低电平，阳极接至高电平，进而达到雪崩二极管SPAD的阳极电压上升的同时阴极电压下降的效果，有效降低了淬灭时长。
Description
技术领域
本发明属于单光子探测技术领域，具体涉及一种单光子雪崩二极管探测器的快速淬灭/复位电路及其方法。
背景技术
单光子探测器具有探测单个光子并将光信号转为电信号的能力，同时拥有高度灵敏度、高增益系数、高响应速度、低工作电压等优势，是一种基于单光子的探测技术。因此，单光子探测器受到国内外研究者的青睐，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比较广泛应用。
单光子探测器主要由两个部分组成：光电转换器和外围电路。现在许多应用为了检测非常微弱的光学信号，光电部分采用单光子雪崩光电二极管，它利用碰撞电离效应实现倍增。单光子雪崩二极管(雪崩二极管SPAD,Single Photon Avalanche Diode)工作在盖革模式下(即反偏电压高于击穿电压)。该模式下，雪崩二极管SPAD能探测到单个光子的微弱光并产生雪崩，在探测灵敏度上得到很大提高。但是，雪崩二极管SPAD不能长时间工作在这种状态下，必须要求将雪崩二极管SPAD的反偏电压及时降到击穿电压以下，否则持续的雪崩电流会产生过度的功耗缩减雪崩二极管SPAD的寿命并且不能进行下一次的检测。为了使雪崩二极管SPAD探测器能够继续探测和计数下一个光子信号，必须采用淬灭/复位电路尽快地将其反偏电压降低到击穿电压以下，然后进行复位，这样才能接受下一个光子。淬灭复位电路的工作过程如下：首先雪崩二极管SPAD雪崩信号发生，淬灭电路进行雪崩电流感应并及时淬灭雪崩大电流，将其反偏电压降低到雪崩电压以下，并输出脉冲信号，然后经过延迟保持电路输出复位信号连接到复位端，对雪崩二极管SPAD进行复位，恢复到初始状态。
淬灭/复位电路一般分为被动电路和主动电路。被动淬灭/复位电路原理是在雪崩二极管SPAD上串联一个大电阻，在雪崩大电流来临后串联的大电阻上会分掉很大电压，使得加在雪崩二极管SPAD两端的电压小于雪崩击穿电压，从而达到淬灭的目的，虽然电路结构简单，但是所需恢复时间较长，而且大电阻占用面积大。主动淬灭/复位的原理是引入反馈回路，当雪崩产生后，一旦接收到反馈信号，雪崩二极管SPAD立即将加在其两端的反向偏压降低至小于雪崩击穿电压，从而淬灭雪崩电流，其反应速度相比于被动淬灭要快很多。传统的主动淬灭复位电路中，SPAD的阴极接固定的偏置电压，通过改变其阳极电压来控制反偏电压的大小，从而控制SPAD的淬灭复位，其淬灭速度仍有很大的改进。
目前有完成单光子雪崩光电二极管淬灭恢复功能的电路设计，但是其淬灭复位的时间还有提高的空间，从而导致雪崩光电二极管的盲时间过长，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供一种结构简单，淬灭复位速度快，并能确保淬灭彻底的快速淬灭/复位电路。
本发明单光子雪崩二极管探测器的快速淬灭/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和延迟保持电路。第一MOS管M1、第二MOS管M2及第四MOS管M4为NMOS管。第三MOS管M3及第五MOS管M5为PMOS管。第一MOS管M1、第二MOS管M2、第三MOS管M3的漏极、第四MOS管M4及第五MOS管M5的栅极均接雪崩二极管的阳极。第二MOS管M2、第三MOS管M3的栅极、第四MOS管M4及第五MOS管M5的漏极均接雪崩二极管的阴极。第一MOS管M1、第二MOS管M2及第四MOS管M4的源极均接地GND。第三MOS管M3及第五MOS管M5的源极均接外部电压VDD。第一MOS管M1的栅极接延迟保持电路的复位输出信号端。延迟保持电路的信号输入端接雪崩二极管的阴极。
进一步地，所述的延迟保持电路包括第一反相器组、第二反相器组、电阻R1、电容C1和或非门。第一反相器组包括m个第一反相器，m＝2。m个第一反相器依次排列，并首尾相连。第二反相器组包括n个第二反相器。m+n为偶数。n个第二反相器依次排列，并首尾相连。第一反相器组中的第1个第一反相器的输入端即为延迟保持电路的信号输入端。第一反相器组中的第m个第一反相器的输出端接电阻R1的一端。第二反相器组中的第1个第二反相器的输入端接电阻R1的另一端及电容C1的一端。电容C1的另一端接地。或非门的第一输入端接第一反相器组中的第1个第一反相器的输入端。第二反相器组中的第n个第二反相器的输出端接或非门的第二输入端。或非门的输出端即为延迟保持电路的复位输出信号端。
进一步地，所述的第一反相器及第二反相器均由第六MOS管M6和第七MOS管M7组成。第六MOS管M6为PMOS管。第七MOS管M7为NMOS管。第六MOS管M6的栅极与第七MOS管M7的栅极相连，作为输入端。第六MOS管M6的漏极与第七MOS管M7的漏极相连，作为输出端。第六MOS管M6的源极接外部电压VDD。第七MOS管M7的源极接地。
进一步地，所述的或非门包括第八MOS管M8、第九MOS管M9、第十MOS管M10和第十一MOS管M11。第八MOS管M8及第九MOS管M9为PMOS管。第十MOS管M10及第十一MOS管M11为NMOS管。第八MOS管M8的栅极与第十MOS管M10的栅极相连，作为或非门的第一输入端。第九MOS管M9的栅极与第十一MOS管M11的栅极相连，作为或非门的第二输入端。第八MOS管M8的漏极与第九MOS管M9的源极相连。第九MOS管M9、第十MOS管M10及第十一MOS管M11的漏极相互相连，作为或非门的输出端。第八MOS管M8的源极接外部电压VDD。第十一MOS管M11的源极接地。
进一步地，所述雪崩二极管的阴极接后续计数电路的脉冲信号输入端。
该单光子雪崩二极管探测器的快速淬灭/复位电路的淬灭/复位方法如下：
步骤一、当单光子来临时，雪崩二极管发生雪崩，阳极电压上升，第四MOS管M4导通，第五MOS管M5截止，雪崩二极管的阴极由第四MOS管M4接地，因此第三MOS管M3导通，使得雪崩二极管的阳极接至高电平，高电平进一步加速雪崩二极管阳极电压的上升。此时，雪崩二极管的阳极电压上升，阴极电压下降，促进雪崩二极管的反偏电压降低到小于击穿电压的状态。同时，雪崩二极管的阴极从高电平降至低电平，产生信号。
步骤二、雪崩二极管的阴极变为低电平后，低电平直接接入或非门的第一输入端，并经延迟保持电路中第一反相器组、第二反相器组、电阻R1、电容C1延迟后接入到或非门的第二输入端。当或非门的第一输入端及第二输入端均置为低电平时，或非门的输出端输出高电平复位信号，使第一MOS管M1导通，雪崩二极管SPAD的阳极由第一MOS管M1接地。进而使得第四MOS管M4截止，第五MOS管M5导通，雪崩二极管的阴极由第五MOS管M5接至高电平，促进了反偏电压增大值大于击穿电压，完成复位。
本发明具有的有益效果是：
1、本发明在淬灭过程中，雪崩二极管SPAD的阴极接至低电平，阳极接至高电平，进而达到雪崩二极管SPAD的阳极电压上升的同时阴极电压下降的效果，有效降低了淬灭时长，提高了对雪崩二极管的保护效果。
2、本发明在复位过程中，雪崩二极管SPAD的阳极接至低电平，阴极接至高电平，进而达到雪崩二极管SPAD的阳极电压下降的同时阴极电压上升的效果，进而实现快速复位。
3、本发明加入了一个正反馈M3，在淬灭过程中，加速SAPD阳极电压的上升，促使反偏电压快速小于击穿电压。
附图说明
图1为本发明的电路原理图；
图2为本发明中延迟保持电路的电路原理图；
图3为本发明中第一反相器及第二反相器的电路原理图；
图4为本发明中或非门3的电路原理图；
图5为本发明工作过程的时序图；
图6为针对本发明的时间为100ns的仿真结果图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，单光子雪崩二极管探测器的快速淬灭/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和延迟保持电路。第一MOS管M1、第二MOS管M2及第四MOS管M4为NMOS管。第三MOS管M3及第五MOS管M5为PMOS管。第一MOS管M1、第二MOS管M2、第三MOS管M3的漏极、第四MOS管M4及第五MOS管M5的栅极均接雪崩二极管SPAD的阳极。第二MOS管M2、第三MOS管M3的栅极、第四MOS管M4及第五MOS管M5的漏极均接雪崩二极管SPAD的阴极。第一MOS管M1、第二MOS管M2及第四MOS管M4的源极均接地GND。第三MOS管M3及第五MOS管M5的源极均接外部电压VDD。第一MOS管M1的栅极接延迟保持电路的复位输出信号端。延迟保持电路的信号输入端接雪崩二极管SPAD的阴极。雪崩二极管SPAD的阴极接后续计数电路的脉冲信号输入端OUTb。
如图2所示，延迟保持电路包括第一反相器组1、第二反相器组2、电阻R1、电容C1和或非门3。第一反相器组1包括m个第一反相器，m＝2。m个第一反相器依次排列，并首尾相连(即前一个第一反相器的输出端与后一个第一反相器的输入端)。第二反相器组2包括n个第二反相器。m+n为偶数。n个第二反相器依次排列，并首尾相连。第一反相器组1中的第1个第一反相器的输入端即为延迟保持电路的信号输入端。第一反相器组1中的第m个第一反相器的输出端接电阻R1的一端。第二反相器组2中的第1个第二反相器的输入端接电阻R1的另一端及电容C1的一端。电容C1的另一端接地。或非门3的第一输入端接第一反相器组1中的第1个第一反相器的输入端。第二反相器组2中的第n个第二反相器的输出端接或非门3的第二输入端。或非门3的输出端即为延迟保持电路的复位输出信号端。
如图3所示，第一反相器及第二反相器均由第六MOS管M6和第七MOS管M7组成。第六MOS管M6为PMOS管。第七MOS管M7为NMOS管。第六MOS管M6的栅极与第七MOS管M7的栅极相连，作为输入端。第六MOS管M6的漏极与第七MOS管M7的漏极相连，作为输出端。第六MOS管M6的源极接外部电压VDD。第七MOS管M7的源极接地。
或非门3包括第八MOS管M8、第九MOS管M9、第十MOS管M10和第十一MOS管M11。第八MOS管M8及第九MOS管M9为PMOS管。第十MOS管M10及第十一MOS管M11为NMOS管。第八MOS管M8的栅极与第十MOS管M10的栅极相连，作为或非门3的第一输入端。第九MOS管M9的栅极与第十一MOS管M11的栅极相连，作为或非门3的第二输入端。第八MOS管M8的漏极与第九MOS管M9的源极相连。第九MOS管M9、第十MOS管M10及第十一MOS管M11的漏极相互相连，作为或非门3的输出端。第八MOS管M8的源极接外部电压VDD。第十一MOS管M11的源极接地。
本发明的工作原理如下：
1.待测阶段(图5中，时间t1之前的部分)：
雪崩二极管SPAD的阳极电压为低电平，使得第四MOS管M4截止，第五MOS管M5导通。雪崩二极管SPAD的阴极经第五MOS管M5接至高电平(外部电压VDD)。在雪崩二极管SPAD的阴极的高电平的作用下，第二MOS管M2导通，使得雪崩二极管SPAD的阳极经第二MOS管M2接地。此时，雪崩二极管SPAD的反偏电压大于击穿电压，处于待测状态
2.雪崩阶段(图5中，时间t1～t2之间的部分)：
当单光子来临时(图5中的时间点t1)，雪崩二极管SPAD发生雪崩，阳极电压上升，第四MOS管M4导通，第五MOS管M5截止，雪崩二极管SPAD的阴极由第四MOS管M4接地，因此第三MOS管M3导通，使得雪崩二极管SPAD的阳极接至高电平(外部电压VDD)，高电平进一步加速雪崩二极管SPAD阳极电压的上升。
此时，雪崩二极管SPAD的阳极电压上升，阴极电压下降，促进雪崩二极管SPAD的反偏电压(阴极电压与阳极电压之差)更快地降低到小于击穿电压的状态，从而达到快速淬灭的目的，也能确保淬灭彻底。
同时，雪崩二极管SPAD的阴极从高电平降至低电平，向后续计数电路的脉冲信号输入端OUTb发出脉冲信号。
3.复位阶段(图5中，时间t2～t4之间的部分)：
雪崩二极管SPAD的阴极变为低电平后(图5中的时间点t2)。低电平直接接入或非门3的第一输入端，并经延迟保持电路中第一反相器组1、第二反相器组2、电阻R1、电容C1延迟后接入到或非门3的第二输入端(图5中的时间点t3)。当或非门3的第一输入端及第二输入端均置为低电平时，或非门3的输出端REC输出高电平复位信号，使第一MOS管M1导通，雪崩二极管SPAD的阳极由第一MOS管M1接地(图5中的时间点t4)。进而使得第四MOS管M4截止，第五MOS管M5导通，雪崩二极管SPAD的阴极由第五MOS管M5接至高电平(外部电压VDD)，促进了反偏电压(阴极电压与阳极电压之差)更快地增大至大于击穿电压的状态，从而达到快速复位的目的。
从整个工作原理中可以看出：本发明在淬灭时有三个进程同时进行：(1)第二MOS管M2截止，被动淬灭；(2)第三MOS管M3导通拉高雪崩二极管SPAD的阳极电压；(3)第四MOS管M4拉低雪崩二极管SPAD的阴极电压。这三个进程同步促进雪崩二极管SPAD的淬灭，雪崩二极管SPAD阳极电压上升的同时，阴极电压下降，进而使得本发明的淬灭速度远快于现有淬灭电路的淬灭速度。
本发明在复位时有两个进程同时进行：(1)第一MOS管M1的导通，拉低雪崩二极管SPAD的阳极电压；(2)第五MOS管M5导通，拉高雪崩二极管SPAD的阴极电压。这就促进反偏电压(阴极电压-阳极电压)更快的大于击穿电压，达到快速复位的效果。
本发明的淬灭效果如图6所示，图中可以看出，使反偏电压达到小于击穿电压的时间为747.3ps，使其恢复到大于击穿电压的待测状态为1.032ns；现有的淬灭电路中淬灭时间大概为1.02ns，复位时间为1.64ns，可以得到本发明的淬灭复位时间更快。
Claims (4)
1.单光子雪崩二极管探测器的快速淬灭/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和延迟保持电路；其特征在于：第一MOS管M1、第二MOS管M2及第四MOS管M4为NMOS管；第三MOS管M3及第五MOS管M5为PMOS管；第一MOS管M1、第二MOS管M2、第三MOS管M3的漏极、第四MOS管M4及第五MOS管M5的栅极均接雪崩二极管的阳极；第二MOS管M2、第三MOS管M3的栅极、第四MOS管M4及第五MOS管M5的漏极均接雪崩二极管的阴极；第一MOS管M1、第二MOS管M2及第四MOS管M4的源极均接地GND；第三MOS管M3及第五MOS管M5的源极均接外部电压VDD；第一MOS管M1的栅极接延迟保持电路的复位输出信号端；延迟保持电路的信号输入端接雪崩二极管的阴极；所述雪崩二极管的阴极接后续计数电路的脉冲信号输入端；
所述的延迟保持电路包括第一反相器组、第二反相器组、电阻R1、电容C1和或非门；第一反相器组包括m个第一反相器，m＝2；m个第一反相器依次排列，并首尾相连；第二反相器组包括n个第二反相器；m+n为偶数；n个第二反相器依次排列，并首尾相连；第一反相器组中的第1个第一反相器的输入端即为延迟保持电路的信号输入端；第一反相器组中的第m个第一反相器的输出端接电阻R1的一端；第二反相器组中的第1个第二反相器的输入端接电阻R1的另一端及电容C1的一端；电容C1的另一端接地；或非门的第一输入端接第一反相器组中的第1个第一反相器的输入端；第二反相器组中的第n个第二反相器的输出端接或非门的第二输入端；或非门的输出端即为延迟保持电路的复位输出信号端。
2.根据权利要求1所述的单光子雪崩二极管探测器的快速淬灭/复位电路，其特征在于：所述的第一反相器及第二反相器均由第六MOS管M6和第七MOS管M7组成；第六MOS管M6为PMOS管；第七MOS管M7为NMOS管；第六MOS管M6的栅极与第七MOS管M7的栅极相连，作为输入端；第六MOS管M6的漏极与第七MOS管M7的漏极相连，作为输出端；第六MOS管M6的源极接外部电压VDD；第七MOS管M7的源极接地。
3.根据权利要求1所述的单光子雪崩二极管探测器的快速淬灭/复位电路，其特征在于：所述的或非门包括第八MOS管M8、第九MOS管M9、第十MOS管M10和第十一MOS管M11；第八MOS管M8及第九MOS管M9为PMOS管；第十MOS管M10及第十一MOS管M11为NMOS管；第八MOS管M8的栅极与第十MOS管M10的栅极相连，作为或非门的第一输入端；第九MOS管M9的栅极与第十一MOS管M11的栅极相连，作为或非门的第二输入端；第八MOS管M8的漏极与第九MOS管M9的源极相连；第九MOS管M9、第十MOS管M10及第十一MOS管M11的漏极相互相连，作为或非门的输出端；第八MOS管M8的源极接外部电压VDD；第十一MOS管M11的源极接地。
4.如权利要求1所述的单光子雪崩二极管探测器的快速淬灭/复位电路的淬灭/复位方法，其特征在于：步骤一、当单光子来临时，雪崩二极管发生雪崩，阳极电压上升，第四MOS管M4导通，第五MOS管M5截止，雪崩二极管的阴极由第四MOS管M4接地，因此第三MOS管M3导通，使得雪崩二极管的阳极接至高电平，高电平进一步加速雪崩二极管阳极电压的上升；此时，雪崩二极管的阳极电压上升，阴极电压下降，促进雪崩二极管的反偏电压降低到小于击穿电压的状态；同时，雪崩二极管的阴极从高电平降至低电平，产生信号；
步骤二、雪崩二极管的阴极变为低电平后，低电平直接接入或非门的第一输入端，并经延迟保持电路中第一反相器组、第二反相器组、电阻R1、电容C1延迟后接入到或非门的第二输入端；当或非门的第一输入端及第二输入端均置为低电平时，或非门的输出端输出高电平复位信号，使第一MOS管M1导通，雪崩二极管SPAD的阳极由第一MOS管M1接地；进而使得第四MOS管M4截止，第五MOS管M5导通，雪崩二极管的阴极由第五MOS管M5接至高电平，促进了反偏电压增大值大于击穿电压，完成复位。
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