CN219890583U - 一种基于雪崩二极管的门控电路装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于雪崩二极管的门控电路装置，所述系统包括FPGA控制单元、延时芯片U1、延时芯片U2、高速D触发器、MOSFET管、雪崩光电二极管和激光器；所述FPGA控制单元的输出端口分别与所述延时芯片U1和所述延时芯片U2的输入引脚相连，延时芯片U1和延时芯片U2的输出引脚均接入高速D触发器的输入引脚，所述高速D触发器的又依次与所述MOSFET管、雪崩光电二极管以及激光器顺序相连；本实用新型公开的系统，通过FPGA控制单元输出的时钟信号来调节延时芯片触发高速D触发器的时间，从而控制MOSFET管的导通和断开，进一步精准地控制雪崩二极管的淬灭和恢复时间，提高了单光子探测效率。
Description
技术领域
本实用新型涉及量子信息与单光子探测器领域，具体涉及一种基于雪崩二极管的门控电路装置。
背景技术
单光子探测器可以用于对极限微弱光信号的测量，并能够对单个光子信号进行探测。目前，它被广泛应用于量子通信、光谱测量、激光测距和生物医学等领域。单光子雪崩二极管在单光子探测器应用中具有极快的响应速度和极高的探测灵敏度两大优点，这两大优点使得单光子探测器适用于微弱光探测和高速成像领域。
单光子雪崩二极管在发生雪崩后，即处于盖革模式时，由光子触发的雪崩击穿是一种自持的行为，如果不采取任何抑制的措施将会导致器件永久损坏。而在实际应用中为了使器件能够正常工作，常采用淬灭电路来停止雪崩二极管的雪崩过程。
淬灭电路的原理是将偏置电压复位，使雪崩二极管可迅速恢复到可以探测光子的状态。淬灭电路目前分为被动式和主动式两种，被动式淬灭电路中通过在雪崩二极管上串联一个电阻使得雪崩二极管在雪崩状态下，两端的电压降低至雪崩击穿电压以下，从而使雪崩的现象停止。被动模式淬灭电路设计简单，但是淬灭和恢复时间较长，不利于高速探测的应用。而现有技术中常采用的主动式淬灭电路结构相对较复杂，对部分整合电路有更高的要求,且整体结构面积较大,功耗也较高，因此不太适用于阵列探测器方面的应用。
因此，有待对现有技术的不足进行改进，提出一种通过FPGA控制单元主动控制门控信号的延时来实现雪崩二极管的淬灭和恢复周期的门控电路系统。
实用新型内容
本实用新型的目的是为了克服已有技术的缺陷，为了解决雪崩二极管的淬灭和恢复的控制问题，提出了一种基于雪崩二极管的门控电路装置。
本实用新型方法通过下述技术方案实现的：
一种基于雪崩二极管的门控电路装置，所述系统包括FPGA控制单元、延时芯片U1、延时芯片U2、高速D触发器、MOSFET管、雪崩光电二极管和激光器；
所述FPGA控制单元的输出端口分别与所述延时芯片U1和所述延时芯片U2的输入引脚相连，延时芯片U1和延时芯片U2的输出引脚均接入高速D触发器的输入引脚，所述高速D触发器的又依次与所述MOSFET管、雪崩光电二极管以及激光器顺序相连；
所述FPGA控制单元用于为所述延时芯片U1和所述延时芯片U2提供时钟信号并驱动所述延时芯片U1和延时芯片U2工作；
所述延时芯片U1和所述延时芯片U2用于触发所述高速D触发器的电平输出；
所述高速D触发器用于输出门控信号；
所述MOSFET管用于控制电信号的输入；
所述激光器用于提供光源；
所述雪崩光电二极管用于探测光子。
进一步地，所述延时芯片U1和所述延时芯片U2的型号均为NB6L295。
进一步地，所述延时芯片U1的输出引脚与所述高速D触发器的RST端相连。
进一步地，所述延时芯片U2的输出引脚与所述高速D触发器的CLK端相连。
进一步地，所述高速D触发器的触发条件为：接收到时钟上升沿。
进一步地，所述高速D触发器的D端与电源相接。
进一步地，所述高速D触发器的Q端与所述MOSFET管的输入引脚相连。
进一步地，所述MOSFET管的输入引脚还通过电容与电源相连。
进一步地，所述雪崩二极管的负极通过电阻与电源VDD相接。
进一步地，所述电源VDD的电压小于所述雪崩二极管的雪崩电压。
本实用新型的有益效果为：
本实用新型公开的一种基于雪崩二极管的门控电路装置，通过FPGA控制单元输出的时钟信号来调节延时芯片触发高速D触发器的时间，从而控制MOSFET管的导通和断开，当MOSFET管导通时雪崩二极管淬灭结束并开始接收光子，当MOSFET管断开时雪崩二极管淬灭。本实用新型通过调节延时芯片触发高速D触发器的时间来精准控制雪崩二极管的淬灭和恢复时间，提高了单光子探测效率。
附图说明
图1为本实用新型的系统框图；
图2为本实用新型的电路图。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本实用新型进行进一步详细说明，但本实用新型要求保护的范围并不局限于下述具体实施例。
一种基于雪崩二极管的门控电路装置，如图1所示，所述系统包括FPGA控制单元、延时芯片U1、延时芯片U2、高速D触发器、MOSFET管、雪崩光电二极管和激光器；
所述FPGA控制单元的输出端口分别与所述延时芯片U1和所述延时芯片U2的输入引脚相连，延时芯片U1和延时芯片U2的输出引脚均接入高速D触发器的输入引脚，所述高速D触发器的又依次与所述MOSFET管、雪崩光电二极管以及激光器顺序相连；
所述FPGA控制单元用于为所述延时芯片U1和所述延时芯片U2提供时钟信号并驱动所述延时芯片U1和延时芯片U2工作；其中，FPGA控制单元是在PAL、GAL等可编程器件的基础上进一步发展的产物，它作为专用集成电路领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。
所述延时芯片U1和所述延时芯片U2用于触发所述高速D触发器的电平输出；其中，所述延时芯片U1和所述延时芯片U2的采用相同的型号，型号为NB6L295。
所述高速D触发器用于输出门控信号；
所述MOSFET管用于控制电信号的输入；
所述激光器用于提供光源；
所述雪崩光电二极管用于探测光子。
所述FPGA控制单元的内部时钟为所述延时芯片U1和所述延时芯片U2提供同频率且频率可调节的时钟信号(延时芯片U1和所述延时芯片U2型号均为采用EC340EGB)；FPGA控制单元(型号为10CX105YF780E6G)，其通过延时芯片U1和延时芯片U2的引脚EN输入时钟信号；所述引脚EN为低电平触发使能开关，当引脚EN的电平检测到为低电平时，延时芯片开始工作，当引脚EN的电平检测到为高电平时，延时芯片截止。
如图2所示，所述延时芯片U1的输出引脚与所述高速D触发器的RST端相连；所述延时芯片U2的输出引脚与所述高速D触发器的CLK端相连。
所述高速D触发器用于输出门控信号进而控制MOSFET管，其中，高速D触发器的D端与电源相接，高速D触发器的Q端与MOSFET管的输入引脚相连。
其中，所述高速D触发器是一个由时钟上升沿触发的芯片，当延时芯片1和延时芯片2输出的时钟信号处于上升沿时，高速D触发器的RST端为低电平，Q输出端信号等于D输入端的信号，高速D触发器的RST端输一个门控信号进入MOSFET管，当MOSFET管收到所述门控信号时导通，没有接收到所述门控信号时断开。
MOSFET管的输入引脚与高速D触发器的Q端相连，如图2所示，MOSFET管的输入引脚还通过电容C1与电源相连。所述电源的电信号在MOSFET管的导通的情况下进入雪崩光电二极管，当MOSFET管断开时，电源的电信号不进入雪崩光电二极管。
当电信号进入到雪崩光电二极管后，雪崩二极管两端的电压大于雪崩电压，即雪崩二极管处于盖革模式下并开始探测光子。盖革模式是指正常工作时雪崩二极管的反向工作电压大于二极管反向击穿电压，此时当单光子入射到雪崩二极管的光接收区时，雪崩二极管会产生雪崩脉冲电流，通过脉冲检测电路把脉冲电流信号转换为标准数据信号，实现对单光子探测功能。
本实用新型公开的原理为：调节FPGA控制单元输出的时钟信号频率并通过延时芯片1和延时芯片2控制高速D触发器的门控信号的占空比，从而控制MOSFET管的导通与断开的时间，当MOSFET管的导通时间变长时将使得雪崩二极管的雪崩持续时间变长，即实现单光子探测器门控的更精准的控制，提高单光子探测效率。
本实用新型公开的一种基于雪崩二极管的门控电路装置可根据调节FPGA控制单元输出的时钟频率来控制MOSFET管的导通时间的长短，进而精准地控制雪崩二极管的淬灭和恢复时间，提高了单光子探测效率。
根据上述说明书的揭示和教导，本实用新型所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本实用新型并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对实用新型的一些修改和变更也应当落入本实用新型的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对实用新型构成任何限制。
Claims (10)
1.一种基于雪崩二极管的门控电路装置，其特征在于，包括FPGA控制单元、延时芯片U1、延时芯片U2、高速D触发器、MOSFET管、雪崩光电二极管和激光器；
所述FPGA控制单元的输出端口分别与所述延时芯片U1和所述延时芯片U2的输入引脚相连，延时芯片U1和延时芯片U2的输出引脚均接入高速D触发器的输入引脚，所述高速D触发器的又依次与所述MOSFET管、雪崩光电二极管以及激光器顺序相连；
所述FPGA控制单元用于为所述延时芯片U1和所述延时芯片U2提供时钟信号并驱动所述延时芯片U1和延时芯片U2工作；所述延时芯片U1和所述延时芯片U2用于触发所述高速D触发器的电平输出；所述高速D触发器的电平输出控制MOSFET管的导通与断开。
2.根据权利要求1所述的一种基于雪崩二极管的门控电路装置，其特征在于，所述延时芯片U1和所述延时芯片U2的型号均为NB6L295。
3.根据权利要求2所述的一种基于雪崩二极管的门控电路装置，其特征在于，所述延时芯片U1的输出引脚与所述高速D触发器的RST端相连。
4.根据权利要求2所述的一种基于雪崩二极管的门控电路装置，其特征在于，所述延时芯片U2的输出引脚与所述高速D触发器的CLK端相连。
5.根据权利要求1所述的一种基于雪崩二极管的门控电路装置，其特征在于，所述高速D触发器的触发条件为：接收到时钟上升沿。
6.根据权利要求1所述的一种基于雪崩二极管的门控电路装置，其特征在于，所述高速D触发器的D端与电源相接。
7.根据权利要求1所述的一种基于雪崩二极管的门控电路装置，其特征在于，所述高速D触发器的Q端与所述MOSFET管的输入引脚相连。
8.根据权利要求7所述的一种基于雪崩二极管的门控电路装置，其特征在于，所述MOSFET管的输入引脚还通过电容与电源相连。
9.根据权利要求1所述的一种基于雪崩二极管的门控电路装置，其特征在于，所述雪崩二极管的负极通过电阻与电源VDD相接。
10.根据权利要求9所述的一种基于雪崩二极管的门控电路装置，其特征在于，所述电源VDD的电压小于所述雪崩二极管的雪崩电压。
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