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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltung für SPADs (Single Photon Avalanche
Diodes – Einphotonenlawinendioden)
zur Verwendung in Verbindung mit einer Lawinenlöschschaltung für die hochpräzise Detektion
der Ankunftszeit des Photons, das heißt des Zeitpunkts, zu dem das
einzelne Photon auf die aktive Oberfläche des Detektors auftritt. Diese
Erfindung betrifft insbesondere das Gebiet der Technik des TCPC
(Time Correlated Photon Counting – zeitkorreliertes Photonenzählen) und
allgemeiner das Gebiet der Techniken, die Präzisionsmessungen der Ankunftszeit
von Photonen verwenden, wie etwa Distanzmessungen mit Laserentfernungsmeßtechniken.
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TCPC-Techniken
werden verwendet, um schnelle und/oder schwache Lichtsignale in
verschiedenen technischen und wissenschaftlichen Gebieten zu messen
(Untersuchung der Fluoreszenzemission und des Abklingens in der
Wissenschaft der Materialien, der Chemie, der Biologie, der Medizin
usw.). Ähnliche
Techniken auf der Basis der Präzisionsdetektion
der Ankunftszeit von Photonen werden in verschiedenen anderen Gebieten
verwendet wie etwa: Satellitenlaserentfernungsmessung; Messung der Gestalt
von entfernten Objekten mit optischen Radartechniken; Quantenkryptographie.
Die zeitliche Auflösung,
die mit den Techniken erhalten werden kann, wird durch die Präzision bestimmt,
mit der der Ankunftszeitpunkt des auffallenden Photons auf dem Photodetektor
identifiziert wird. Viele Anwendungen erfordern, dass auch mit extrem
hohen Zählraten (Mc/s,
Millionen von Zählungen
pro Sekunde) gearbeitet wird, wobei das bei einer niedrigen Zählrate (KC/s, Tausende von Zählungen pro Sekunde oder weniger)
erreichte gute Niveau der zeitlichen Auflösung beibehalten wird.
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Die
besagten Techniken wurden eingeführt und
entwickelt unter Verwendung von Photoelektronenvervielfacher (PMT – Photo-Multiplier
Tubes) als Detektoren von einzelnen Lichtphotonen.
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Spezielle
Halbleiterbauelemente, Einphotonenlawinendetektoren (SPAD) sind
gegenwärtig
bekannt und als Detektoren von einzelnen Lichtphotonen erhältlich.
Im Vergleich zu den PMTs stellen die SPADs aufgrund ihrer kleineren Abmessungen,
ihrer niedrigeren Vorspannung und Verlustleistung und ihrer Kompaktheit,
Robustheit und Zuverlässigkeit
einen klaren Fortschritt dar. Zudem liefern sie eine höhere Quanteneffizienz
und eine Präzision
bei der Detektion der Ankunftszeit von Photonen, die vergleichbar
ist mit der der besten MCP-(Micro Channel Plate – Mikrokanalplatte)-Photoelektronenvervielfacher.
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Die
Einzelphotonenlawinendetektoren sind spezielle Lawinenphotodioden,
die im Geiger-Modus auf eine Vorspannung VAA vorgespannt arbeiten,
die über
der Durchschlagspannung Vbd liegt, das heißt mit einer Übervorspannung
Vex = |VAA| – |Vbd| > 0. Bei dieser Spannung
kann ein einzelnes Photon, das durch Auftreffen auf den Detektor
ein Elektronen-Loch-Paar freisetzt, einen sich selbsterhaltenden
Prozess der Lawinenmultiplikation der Ladungsträger auslösen. Das Photon erzeugt somit
einen makroskopischen Stromimpuls (in der Regel ein Milliampere
oder mehr) mit einer schnellen Vorderkante (in der Regel unter einer
Nanosekunde). Dieser Impuls signalisiert die Ankunft des Photons
und gibt mit seiner Vorderkante den Zeitpunkt seiner Ankunft an.
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Der
Lawinenstromimpuls muss abgeschlossen sein, damit die Einrichtung
andere Photonen zu folgenden Zeitpunkten detektieren kann. Eine
Löschschaltung
bewerkstelligt diese Aufgabe durch Absenken der an die Photodiode
angelegten Spannung hinunter auf die Durchschlagsspannung Vbd oder
darunter. Deshalb erzeugt entsprechend einem detektierten einzelnen
Photon die SPAD einen Stromimpuls kurzer Dauer (in der Regel von
zehn bis einigen Zehn Nanosekunden).
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PQCs
(Passive Quenching Circuits – passive Löschschaltungen)
und AQCs (Active Quenching Circuits – aktive Löschschaltungen) sind bekannt.
Bei den passiven Schaltungen PQC wird das Löschen hervorgerufen durch einen
hochwertigen Lastwiderstand, an dem der Lawinenstrom selbst direkt
den Spannungsabfall entwickelt, der ihn löscht. Bei den aktiven Schaltungen
AQC detektiert ein spezieller Schaltungsblock (AQB Active Quenching
Block), der aktive Bauelemente enthält, das Auslösen des
Lawinenstroms und legt an die SPAD einen Spannungsimpuls an, der
die an die SPAD angelegte Spannung bis unter die Durchschlagsspannung
Vbd absenkt.
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Die
in der technischen und wissenschaftlichen Literatur berichteten
Hauptmerkmale der bekannten SPADs können wie folgt zusammengefasst werden.
Je nach ihrer Struktur können
sie in zwei Kategorien klassifiziert werden: SPADs mit dünnem Übergang,
mit Hilfe derer die beste zeitliche Präzision erreicht worden ist
(bis zu 20 Pikosekunden), die eine Übergangsdicke von 1 Mikrometer
oder ein wenig mehr, eine niedrige Durchschlagspannung (im Bereich
zwischen 15 und 50 V), eine Übervorspannung
Vex von bis zu 10 V oder etwas mehr aufweisen; SPADs mit dickem Übergang,
mit Hilfe derer eine geringere zeitliche Präzision erreicht worden ist (bis
zu 150 ps), die in der Regel eine Dicke des Übergangs von 20 Mikrometern
oder mehr, eine hohe Durchschlagsspannung (im Bereich von 120 V
bis 500 V), eine Übervorspannung
Vex von bis zu einigen zehn Volt aufweisen. Diese bekannten SPAD-Bauelemente
weisen einen photonenempfindlichen Bereich mit einem Durchmesser
im Bereich von 5 bis 500 Mikrometern auf, umgeben von einem großen Schutzring,
der gegenüber
Photonen nicht empfindlich ist, der zu der elektrischen Kapazität des Übergangs
beiträgt,
der Werte im Bereich zwischen 1 Pikofarad und etwa zwanzig Pikofarad
aufweist. Wenn der Lawinenstrom fließt, besitzen die SPADs einen
Innenwiderstand Rd, dessen Wert von der Struktur des Bauelements
abhängt
und im Bereich von einigen wenigen Hundert Ohm bis etwa 10 KOhm
liegt. Der Wert des Lawinenstroms ist gegeben durch das Verhältnis zwischen
der Übervorspannung
Vex und dem Innenwiderstand Rd der SPAD. Die Anstiegszeit des Lawinenstromimpulses
ist sehr schnell, und ihr Wert hängt
von der Struktur des SPAD und von dem Wert der Übervorspannung Vex ab: sie
ist in der Regel kürzer
als eine Nanosekunde, sie kann nur hundert Pikosekunden betragen
oder sie kann länger
und bis zu einigen Nanosekunden lang sein. Von hier ab wird die
Bandbreitengrenze eines Impulses mit der Anstiegszeit Tra als der
Kehrwert 1/Tra der Anstiegszeit definiert. Für den Lawinenstromimpuls der
SPADs ist die Bandbreitengrenze in der Regel größer als 1 GHz, und sie kann
höher sein,
bis zu einigen wenigen Gigahertz, oder sie kann reduziert sein,
bis hinunter zu einigen hundert MHz.
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Aus „Avalanche
Photodiodes and Quenching Circuits for Single-Photon Detection", S. Cora et al. Applied
Optics (20-04-1996), 35 (12), 1956–1976, ist eine Technik bekannt,
um Nachteile aufgrund der kapazitiven Durchleitung des Löschimpulses
durch die Kapazität
der SPAD-Diode während
des Vorgangs des Löschens
der Lawine mit Hilfe eines Hochspannungsimpulses zu vermeiden.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Ausgangsschaltung
herzustellen, die in Verbindung mit Löschschaltungen unterschiedliche
Arten für
den Betrieb mit einer beliebigen Art von SPAD bei einer beliebigen
Vorspannung (VAA-Spannung noch höher
als 500 V) und mit einer beliebigen Impulszählrate (sogar eine hohe Zählrate von über 1 Mc/s – eine Million
Zählungen
pro Sekunde) verwendet werden kann, wodurch das Lawinenstromsignal
derart extrahiert werden kann, dass der Zeitpunkt der Lawinenauslösung und
deshalb der Zeitpunkt, zu dem das Photon auf der aktiven Oberfläche der
SPAD ankommt, unter allen Betriebsbedingungen und mit hoher Präzision identifiziert
und gemessen werden kann.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird die Aufgabe mit Hilfe eines SPAD-Photodioden-Detektors wie in Anspruch
1 definiert, gelöst.
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Zudem
werden die Werte der Schaltungselemente bevorzugt so gewählt, dass
der Wert der Tiefpassgrenzfrequenz bevorzugt größer ist als die Bandbreitengrenze
des Lawinenstromimpulses oder mindestens etwa ihr gleich ist, das
heißt,
die Integrationszeitkonstante ist kleiner als die Anstiegszeit des Lawinenstromimpulses
oder mindestens etwa ihr gleich.
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Der
oben erwähnte
Wert der Tiefpassgrenzfrequenz und der entsprechenden Integrationszeitkonstanten
wird festgelegt, um zu verhindern, dass die Verlangsamung, wodurch
die Anstiegsrate der Vorderkante des Ausgabeimpulses bezüglich der
eines Lawinenstromimpulses leidet, signifikant genug ist, um die
Präzision
der Messung der Ankunftszeit zu verschlechtern, wie hiermit verdeutlicht
ist. Der oben erwähnte
Wert der Hochpassgrenzfrequenz und der entsprechenden Differenzierungszeitkonstanten
wird festgelegt, um zu verhindern, dass die Basislinie der ausgegebenen
Impulse bei hohen Zählraten
durch statistische Fluktuationen beeinflusst wird mit einer daraus
folgenden Verschlechterung der Ankunftszeit der Photonen, wie hiermit
verdeutlicht wird.
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Die
Charakteristiken und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben
sich aus der folgenden ausführlichen
Beschreibung der bekannten Technik und einer Ausführungsform
der Erfindung, als nicht beschränkendes
Beispiel in den beigefügten
Zeichnungen dargestellt. Es zeigen:
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1 die
Vorderkante eines Impulses, der an einer generischen Elektronikschaltung
ankommt und den Schwellwert eines Vergleichers kreuzt, was die Ankunftszeit
des Impulses signalisiert;
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2 eine
passive Löschschaltung
einer SPAD-Photodiode gemäß der bekannten
Technik;
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3 eine
Gruppe von Impulssignalen in der Schaltung von 2;
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4 eine
aktive Löschschaltung
gemäß der bekannten
Technik;
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5 Impulssignale
in der Schaltung von 4;
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6 ein
elektrisches Netz, das eine Wechselstromsignalkopplung (AC-Kopplung) für den Lawinenimpuls
bereitstellt und gebildet wird durch Widerstände und Kondensatoren und in
eine an sich bekannte aktive Löschschaltung
eingefügt
ist;
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7 eine
Reihe von am Ausgang des AC-Koppelnetzes in der Schaltung von 6 erhaltenen
Impulsen, wobei Werte der Schaltungselemente gemäß dem bekannten Stand der Technik
ausgewählt
sind;
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8 eine
Reihe von am Ausgang des AC-Koppelnetzes in der Schaltung von 6 erhaltenen
Impulsen, wobei Werte der Schaltungselemente gemäß der vorliegenden Erfindung
ausgewählt sind;
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9 eine
Variante der Schaltung von 6 gemäß der vorliegenden
Erfindung mit AC-Koppelnetz für
den Lawinenimpuls, gebildet durch Widerstände und miteinander gekoppelten
Induktionsspulen.
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1 zeigt
die Situation einer generischen Elektronikschaltung, die mit einem
Vergleicher ausgestattet ist, der die Ankunftszeit eines Impulses
detektiert: man beachte die Vorderkante 101 des Impulses
mit der Anstiegszeit Tra, der bei Punkt 103 den Schwellwert 102 eines
Vergleichers kreuzt, der ausgelöst
wird und somit die Ankunftszeit signalisiert.
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In
der Elektrotechnik ist die Lösung
für das klassische
Problem des Detektierens der Ankunftszeit von Impulsen mit Standardform
bei Vorliegen von elektronischem Rauschen wohlbekannt, was statistische
Fluktuationen (Zeitjitter) bei der detektierten Ankunftszeit verursacht
(siehe beispielsweise: Kapitel 10 in T.H. Wilmshurst „Signal
Recovery from Noise in Electronic Instrumentation", IOP Publishing
Ltd., 1990). Der Schaltungsvergleicher und die Filter- und/oder
Verstärkungsschaltungen
mit geringem Rauschen, die dem Vergleicher vorgeschaltet sind, werden
so ausgewählt
und dimensioniert, dass die Zeit minimiert wird, die der Impuls
benötigt,
um ein Band um den Schwellwert mit einer durch die Rauschintensität definierten
Amplitude zu kreuzen, gemessen durch den quadratischen Mittelwert
des Rauschens. Die Auswahl der Schaltungskonfiguration und der Parameterwerte
berücksichtigt
sowohl den entsprechend der Schwellwertkreuzung erhaltenen Impulsanstieg
als auch die Intensität
des Rauschens. Bei der besten Lösung
gemäß dem bekannten
Stand der Technik kann es vorkommen, dass der ausgewählte Schwellwert
recht hoch ist, das heißt, der
Impuls kreuzt den Schwellwert nicht innerhalb des Anfangsteils seiner
Vorderkante, sondern an einem nachfolgenden Punkt (beispielsweise
auf der halben Höhe
seiner Vorderkante), und dass das Filter- und Verstärkungsband
auf der Hochfrequenzseite durch eine Tiefpassfilterung mit einer
charakteristischen Frequenz begrenzt wird, die unter der Bandbreitengrenze
des Originalimpulses vor der Filterung liegt.
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Der
Fall von SPAD-Photodioden unterscheidet sich erheblich im Vergleich
zu dem oben erwähnten
klassischen Problem, da die Gestalt der Vorderkante des Lawinenstromimpulses
in der SPAD nicht standardmäßig ist,
sondern intrinsisch durch statistische Fluktuationen beeinflusst
wird. In der Anfangsphase sind die intrinsischen Fluktuationen des
Anstiegs des Impulses klein, da der Lawinenstrom ansteigt und gleichzeitig
auf einen kleinen Bereich um den Punkt herum beschränkt ist,
bei dem das Photon absorbiert worden ist und die Lawine ausgelöst hat. Nacheinander
nimmt der Strom zu, nachdem die Anzahl der Trägerpaare (Elektronen und Löcher) angewachsen
ist und einige wenige Tausend erreicht hat und der Wert des Lawinenstroms
entsprechend einen Pegel von einigen Dutzend Mikroampere erreicht hat,
indem er sich zunehmend zu dem Rest des Bereich des Übergangs
durch physikalische Phänomene
mit statistischen Merkmalen ausbreitet, und folglich nimmt der Jitter
des ansteigenden Signals schnell zu (siehe beispielsweise A. Spinelli,
A. Lacaita „Physics
and Numerical Simulation of Single Photon Avalanche Diodes", IEEE Trans. Electron
Devices, Band 44, S. 1931–1943
(1997)).
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Anders
als bei der bekannten Lösung
für das klassische
Problem müssen
im Fall der SPAD-Photodioden die Vergleicherschaltung und die Filter- und/oder
Verstärkerschaltung
mit geringem Rauschen, die dem Vergleicher vorgeschaltet sind, und ihre
Parameterwerte so ausgewählt
werden, dass auch der durch intrinsische Fluktuationen des Impulsanstiegs
verursachte Jitter der Schwellwertkreuzungszeit minimiert wird.
Deshalb muss der Vergleicherschwellwert von dem Impuls während des
Anfangsteils seines Anstiegs gekreuzt werden, in dem die intrinsischen
Fluktuationen des Lawinenstroms immer noch klein sind. Folgendes
sind die Bedingungen, die erforderlich sind, um dieses Ziel zu erreichen:
- (A) Die Filter- und/oder Verstärkerschaltungen
mit geringem Rauschen, die dem Vergleicher vorgeschaltet sind, dürfen den
Anfangsanstieg des Impulses im Vergleich zu dem intrinsischen Anstieg des
Lawinenstromimpulses in der SPAD nur geringfügig verlangsamen, das heißt, die
Schaltungen müssen
eine höhere
Obergrenze des Durchlassbandes als die Bandbreitengrenze des Lawinenstromimpulses
der SPAD besitzen, und es wird bevorzugt, dass die Bandgrenze der
Schaltungen einem einzelnen Pol entspricht, mit einer kleineren
Integrationszeitkonstanten als die intrinsischen Anstiegszeit des
Lawinenstromimpulses;
- (B) der Schwellwert des Vergleichers muss sehr niedrig liegen,
das heißt,
sein Abstand von der Basislinie des Impulses muss viel kleiner sein
als die Impulsamplitude.
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Es
muss deshalb untersucht werden, wie es möglich ist, die Bedingungen
in den SPAD-Löschschaltungen
zu erfüllen.
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Eine
passive Löschschaltung
gemäß der bekannten
Technik ist in 2 gezeigt. Gemäß dem, was
in der Figur dargestellt ist, ist ersichtlich, dass eine SPAD-1-Photodiode einen
Anodenanschluss 3 aufweist, der an dem Schaltungsknoten 300 mit
Hilfe eines Widerstands 4 angeschlossen ist, der als Lastwiderstand
RL bezeichnet wird, mit einem viel höheren Wert als der Innenwiderstand
der SPAD, der in der Regel im Bereich von 100 KOhm bis einigen wenigen
MOhm liegt, und in Reihe damit ein Widerstand 6, der als
Pull-Up-Widerstand Rp bezeichnet ist, mit einem niedrigen Wert in
der Regel im Bereich zwischen 50 Ohm und 5 KOhm, und der Schaltungsknoten 300 ist
geerdet. Der Eingang eines Vergleichers 5 ist zwischen
den Widerständen
am Zwischenpunkt 8 angeschlossen. Ein Kondensator 9 mit
einer Kapazität
Ca stellt die Gesamtkapazität
zwischen der Anode 3 und Masse dar. Ein Kathodenanschluss 2 der SPAD
kann über
einen als Signalwiderstand Rs bezeichneten Widerstand 7 mit
einem niedrigen Wert in der Regel im Bereich zwischen 5 und 500
Ohm an einen Schaltungsknoten 200, der mit der Vorspannung +VAA
verbunden ist, oder direkt mit dem Schaltungsknoten 200 verbunden
sein. Ein Kondensator 10 mit einer Kapazität Ck stellt
die Gesamtkapazität
zwischen der Kathode 2 und Masse dar. Die Kapazitäten Ca und
Ck ergeben sich aus der Kapazität
der SPAD-Diode und aus der Streukapazität der Verbindungen, und ihr
Wert liegt zwischen einigen wenigen Pikofarad und einigen wenigen
zehn Pikofarad, entsprechend den Schaltungskomponenten, die an die Elektrode
der SPAD angeschlossen ist, und den verschiedenen Schaltungsaufbautechniken.
Deshalb weisen die Gesamtkapazitäten
Ca und Ck in der Regel Werte zwischen 5 und 20 pF auf.
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3 zeigt
ein Zeitdiagramm einer Reihe elektrischer Signale, die in der Schaltung
von 2 nach der Absorption des Photons 77 erzeugt
werden, was in der SPAD eine Lawine auslöst.
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3(a) stellt das Verhalten 104 der
Spannung Va der Anode 3 dar. Der Spannungsimpuls am Punkt 8 der
Schaltung von 2 ist eine Kopie des Anodenspannungsimpulses,
wobei die Amplitude durch den Teiler gedämpft wird, der durch die Widerstände 4 und 6 gebildet
wird; deshalb stellt 3(a) mit einer
anderen vertikalen Spannungsskala den bei Punkt 8 gelesenen
Impuls dar. 3(a) zeigt den Schwellwert 106 des
Vergleichers 5, den der Impuls bei Punkt 107 seines
Anstiegs kreuzt, wodurch am Ausgang des Vergleichers ein Impuls
erzeugt wird, der durch nachfolgende Elektronikinstrumente verwendet
werden kann, die die Impulse zählen
oder die Ankunftszeit aufzeichnen.
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3(b) zeigt das Verhalten 108 des
Lawinenstroms, und 3(c) zeigt das
Verhalten 109 der Spannung am Anschluss 11 des
Widerstands 7 in 2.
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Es
ist ersichtlich, dass der Widerstand 4 RL, da er viel größer ist
als der Innenwiderstand Rd, als ein löschendes Element der von dem
einfallenden Photon 77 auf der SPAD 1 ausgelösten Lawine
fungiert, da, wie in 3(a) gezeigt,
der Lawinenstrom am Widerstand 4 RL einen Impuls erzeugt,
der bewirkt, dass die Spannung an der Anode 3 ansteigt, bis
sie fast den Pegel 105 gleich (+VAA – Vbd) erreicht, wodurch die
zwischen der Kathode 2 und der Anode 3 der SPAD-Photodiode 1 angelegte
Spannung auf einen Wert in der Nähe
der Durchschlagspannung Vbd reduziert wird. Dieser Impuls wird von dem
Lawinenstrom durch eine Filterwirkung aufgrund des Netzes erzeugt,
das von der Kapazität 9 Ca,
von dem Lastwiderstand 4 RL und dem Innenwiderstand Rd
der SPAD 1 unter Lawinenbedingung erzeugt wird. Diese Filterung
ist eine Integration mit einer Zeitkonstanten τa, die gegeben ist durch das
Produkt von Ca und dem Widerstand RL/Rd was sich aus der Parallelschaltung
zwischen den Widerständen
RL und Rd ergibt, also in der Praxis durch: τa = Rd·Ca. Der Wert der Konstanten τa ist infolgedessen
im Bereich zwischen 2 und 100 Nanosekunden und ist deshalb eindeutig
größer als
die Anstiegszeit des Lawinenstroms, wie in den 3(a) und 3(b) dargestellt. Das am Punkt 8 genommene
Signal erfüllt
deshalb nicht die Bedingung (A).
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Aus 3(c) ist ersichtlich, dass für den Zweck
das vom Punkt 11 in 2 genommene Spannungssignal
am Widerstand 7 infolgedessen geeigneter ist, weil es im
Unterschied zu RL möglich ist,
für den
Widerstand 7 der Stelle Rs einen niedrigen Wert auszuwählen, der
kleiner ist als der des Innenwiderstands Rd der SPAD. Das oben erwähnte Signal
wird durch den Lawinenstrom durch eine Integrationsfilterung aufgrund
des Netzes erzeugt, das gebildet wird durch die Kapazität 10 Ck,
den Signalwiderstand 7 Rs und den Innenwiderstand Rd der SPAD.
Die Zeitkonstante τk
der Filterung ist gegeben durch das Produkt aus Ck und dem Widerstand Rs//Rd,
das heißt
die Parallelschaltung zwischen den beiden als Rs und Rd bezeichneten
Widerständen. Indem
Rs so gewählt
wird, dass es einen niedrigeren Wert als Rd aufweist, erhalten wir τk = Rs·Ck, und deshalb
kann die Bedingung (A) erfüllt
werden, wodurch eine Zeitkonstante τk erhalten wird, die kürzer ist
als eine Nanosekunde und deshalb kürzer als die Anstiegszeit des
Lawinenstroms oder zumindest etwa dieser gleich. Um auch die Bedingung
(B) zu erfüllen,
muss der Eingang eines Vergleichers mit dem Schwellwert 110 in
der Nähe
der Basislinie des Impulses an Punkt 11 in 2 angeschlossen
sein, wie in 3(c) gezeigt. Es ist
jedoch ersichtlich, dass in der PQC-Schaltung in 2 der
Punkt 11 auf eine hohe Spannung VAA vorgespannt ist, was
am Eingang einer Vergleicherschaltung nicht zulässig ist. Dieses Hindernis
kann dennoch leicht vermieden werden, indem auf eine negative Vorspannung
für die SPAD
ausgewichen wird, das heißt,
indem die folgenden Änderungen
in das Schaltungsdiagramm von 2 eingebracht
werden: Der Schaltungsknoten 300 ist mit der Spannung –VAA (negative
Versorgung mit Absolutwert gleich +VAA) anstelle mit Masse verbunden,
und der Schaltungsknoten 200 ist mit Masse anstelle mit
der positiven Spannung +VAA verbunden. Punkt 11 führt somit
zu einer Vorspannung bei Massenspannung, und der Eingang eines Vergleichers
mit einem niedrigen Schwellwert kann daran angeschlossen werden,
wodurch die Bedingung (B) erfüllt
ist.
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In
den passiven Schaltungen PQC kann die beim Messen der Impulsankunftszeit
erhaltene Präzision
durch Einsatz der oben beschriebenen Lösung optimiert werden, doch
ist das Interesse an diesem Ergebnis begrenzt, da sich die PQCs
inhärent
sowieso nicht sehr für
den Zweck eignen. Tatsächlich
verursacht die langsame Rate, mit der die an die SPAD angelegte
Spannung zur Arbeitsspannung VAA nach jedem Löschen zurückgeht, eine progressiv zunehmende
Verschlechterung der Präzision
beim Messen der Ankunftszeit, sowie die Zählrate der Impulse eintausend
Impulse pro Sekunde übersteigt
(siehe S. Cova, M. Ghioni, A. Lacaita, C. Samori, F. Zappa „Avalanche
Photodiodes and Quenching Circuits for Single Photon-Detection", Appl. Optics, 35, 1956–1976 (1996)).
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Um
die Begrenzungen der PQC-Schaltungen zu überwinden und die mit SPAD-Photodioden erhaltbare
Leistung zu verbessern, sind die aktiven löschenden Schaltungen AQC eingeführt worden.
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Wie
aus 4 ersichtlich ist, ist das löschende Element der von einem
auf die SPAD auffallenden Photon 77 ausgelösten Lawine
ein spezieller Schaltungsblock 130, der aktive Bauelemente
enthält,
bezeichnet als AQB (Active Quenching Block – aktiver Löschblock). Als ein nichteinschränkendes
Beispiel ist eine häufig
verwendete bekannte AQB-Konfiguration in 4 dargestellt,
die erhalten wird durch Hinzufügen
einer speziellen Schaltung 12 zu der PQC-Schaltungskonfiguration
in 2, wobei der Eingang mit dem Ausgang des Vergleichers 5 und der
Ausgang mit dem Anschluss 3 der SPAD verbunden ist. Die
Vorderkante des Signals am Punkt 8 löst den Vergleicher 5 aus,
der der Schaltung 12 einen Befehl gibt, die ein positives
Spannungssignal derartiger Amplitude erzeugt, dass die Lawine gelöscht wird,
und das Signal wird mit einer Verzögerung Iqa bezüglich des
Beginns der Lawine (Löschverzögerung)
an die SPAD angelegt und hält
sie für
eine voreingestellte Zeitdauer Tho (Schonzeit) gelöscht und bringt
die Spannung schließlich
zur Masse zurück, wodurch
die anfänglichen
Vorspannungsbedingungen des SPAD wiederhergestellt werden (aktives
Zurücksetzen).
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Wie
aus 5(a) ersichtlich weist der Impuls 112 des
Lawinenstroms eine Dauer 113 auf, die durch den Wert der
Verzögerung
Tqa bestimmt ist, die einen von der Schaltung voreingestellten Wert zwischen
einem der Laufzeit in der Schaltung entsprechenden Minimum, in der
Regel etwa 10 Nanosekunden, und einem Maximum von einigen Zehn Nanosekunden
aufweist.
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Alle
bekannten Schaltungskonfigurationen, mit denen der Block 130 AQB
hergestellt werden kann, einschließlich der in 4 dargestellten,
enthalten aktive Elektronikbauelemente und gestatten deshalb weder
eine Verbindung ihres Eingangs noch ihres Ausgangs mit auf Hochspannung
vorgespannten Punkten. Deshalb müssen
beide Verbindungen des AQB an die SPAD in jedem Fall mit dem auf
Massespannung (oder höchstens
auf eine Spannung von einigen wenigen Volt, klein genug, um für die AQB-Schaltung
selbst tolerierbar zu sein) vorgespannten Anschluss der SPAD hergestellt
werden. Die Verbindungen des AQB erhöhen jedoch die Gesamtkapazität des Anschlusses,
und zusätzlich
gestatten viele der bekannten AQB-Konfigurationen nicht die Verbindung
eines niedrigwertigen Widerstands mit ihrem Ausgang und/oder mit
ihrem Eingang, und deshalb blockieren sie das Schalten eines niedrigwertigen
Widerstands zwischen den Anschluss der SPAD, mit dem sie verbunden
sind, und Masse. Folglich ist es nicht möglich, die Bedingung (A) für das an
dem auf Massespannung vorgespannten Anschluss der SPAD genommene
Signal zu erfüllen.
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Es
ist ersichtlich, dass in der AQC-Schaltung 13 in 4 ein
Signalwiderstand Rs zwischen den Anschluss 2 der SPAD und
die Vorspannung VAA geschaltet ist, genau wie in der PQC-Schaltung
in 2. Der Wert dieses Widerstands kann wie in dem PQC-Fall
von 2 gesagt ausgewählt werden, und deshalb ist
es auch in dem AQC-Fall von 4 möglich, die
Bedingung (A) für
das Spannungssignal 115 am Punkt 11 zu erfüllen. Tatsächlich kann
in 5(a) und 5(b) angemerkt
werden, dass das Signal 115 praktisch die gleiche Form
wie das des Lawinenstromimpulses 112 in der SPAD aufweist.
Punkt 11 in 4 ist auf die hohe Spannung
VAA vorgespannt, wie in der Schaltung PQC von 2,
doch blockiert das Vorliegen der AQC in diesem Fall den Einsatz der
in dem Fall der PQC verwendeten Lösung zur Vermeidung des Hindernisses,
weil das Anlegen einer negativen Vorspannung –VAA an Anschluss 3 mit der
daran angeschlossenen AQC inkompatibel ist.
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Gemäß 6 ist
ein detektierender Vergleicher 16 an den Punkt 11 angeschlossen,
der auf eine hohe Spannung VAA mit Hilfe eines AC-Koppelnetzes 18 (an
sich bekannt) vorgespannt ist, das den Impuls genau überträgt und den
Durchgang von Gleichstrom verhindert. Es kann in 6 angemerkt
werden, dass zwischen dem Anschluss 11 des Widerstands 7,
mit dem anderen Ende mit dem auf die Spannung +VAA vorgespannten
Schaltungsknoten 200 verbunden, und dem Eingang 17 des
Vergleichers 16 ein Koppelkondensator 15 mit einer
Kapazität
Cc geschaltet ist und ein Koppelwiderstand 14 Rc zwischen
den Eingang 17 des Vergleichers 16 und Masse geschaltet
ist. Am Eingang 17 des Vergleichers 16 produziert
der Lawinenstrom einen Spannungsimpuls durch die Filterung, die
gegeben ist durch das Netz, das durch Rs, Cc und Rc gebildet wird.
Diese Filterung weist eine Tiefpassgrenze entsprechend einer Integrationszeitkonstanten
auf, gegeben durch: τk
= (Rs//Rc//Rd)·Ck,
wobei (Rs//Rc//Rd) der Wert des Widerstands ist, der sich aus der
Parallelschaltung von Rs, Rc und Rd ergibt. Mit einem niedrigen
Wert des Widerstands Rs und/oder Rc kann die Integrationszeitkonstante
kleiner als oder zumindest gleich der Lawinenstromanstiegszeit gemacht
werden, wodurch die Bedingung (A) wie in den zuvor betrachteten
Fällen
erfüllt wird.
Die durch das Netz 18 gegebene Filterung produziert auch
eine Hochpassgrenze entsprechend einer Differenzierungszeitkonstanten,
die gegeben ist durch λ – (Rc +
Rs//Rd)·Cc, wobei
Rs//Rd der Wert des Widerstands ist, der sich aus der Parallelschaltung
von Rs und Rd ergibt.
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Gemäß der bekannten
Technik muss der Wert der Differenzierungszeitkonstanten λ viel größer sein
als die Dauer Iqa des von der SPAD erzeugten Impulses, damit der
Impuls genau übertragen
wird. Auf diese Weise liegt am Eingang 17 des Vergleichers 16 eine
Kopie des Spannungsimpulses 115 am Punkt 11 in 4 vor,
aber mit einer Basislinie bei Massespannung, und es ist somit möglich, die
Bedingung (B) für
den Schwellwert des Vergleichers zu erfüllen. Ein typisches Beispiel
für eine
Auswahl der Schaltungsparameterwerte eines bekannten AC-Netzes, das eine
Differenzierungskonstante λ von
etwa 30 Mikrosekunden erzeugen würde,
ist nachfolgend gezeigt:
Rs = 100 Ohm
Rc = 500 Ohm
Cc
= 47 Nanofarad
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Diese
Lösung
ist jedoch für
den besagten Zweck ungeeignet, weil, wenn die Zählrate einige wenige Tausende
Impulse pro Sekunde (kcps) übersteigt,
eine progressiv zunehmende Verschlechterung der zeitlichen Präzision eintritt,
wie in 7 dargestellt.
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In 7(a) ist eine die Zeit anzeigende X-Achse
und eine Y-Achse zu sehen, die die Spannung am Punkt 11 von 6 bei
Vorliegen einer Sequenz von Impulsen 21, 22 und 23 vorliegt,
die von der SPAD-Photodiode 1 erzeugt werden.
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In 7(b) ist eine X-Achse zu sehen, die die
Zeit anzeigt, wie in 7(a), und eine
Y-Achse, die die Spannung nach der AC-Kopplung bei Punkt 17 von 6 bei
Vorliegen der Impulse 24, 25 und 26 anzeigt,
die den Impulsen 21, 22 und 23 entsprechen.
In 7(b) kann angemerkt werden, dass
die Differenzierung an jeden Impuls 24, 25 und 26 ein Ende
mit entgegengesetzter Polarität 30, 31 und 32 und
langer Dauer mit einer Fläche
anhängt,
die gleich dem Puls ist, und langsam abnehmender Amplitude, präzise mit
exponentieller Abnahme mit der charakteristischen Zeitkonstanten λ der Differenzierung. Wenn
die Impulse zeitlich zufällig
verteilt sind, so ist zu sehen, dass entsprechend der Ankunftszeitpunkte 27, 28 und 29 der
Impulse 24, 25 und 26 die Amplitude der
Summe der Enden aufgrund der vorausgegangenen Impulse zufällig variabel
ist und deshalb der Schwellwert 33 des Vergleichers 16 von
den Impulsen an den Punkten 34, 35 und 36 gekreuzt
wird, die sich auf unterschiedlichen Höhen entlang ihrer Vorderkante befinden,
das heißt,
sie wird mit einer Verzögerung
im Vergleich zu dem Beginn des Impulses gekreuzt, die nicht konstant
ist, sondern zusätzliche
Verzögerungen
mit zufällig
fluktuierenden Werten enthält,
entsprechend verschiedener Anteile der Impulsanstiegszeit. Die Anmelderin
hat herausgefunden, dass eine radikal andere Auswahl von Werten der
Schaltungskomponenten des Koppelnetzes 18 bei Wechselstrom
die übertragene
Impulsform bemerkenswert modifiziert, da sie die Differenzierungszeitkonstante λ des Netzes
kürzer
macht als die Dauer des Lawinenstromimpulses, wie in 8 dargestellt.
Ein typisches Beispiel der Auswahl der Schaltungsparameterwerte
gemäß der innovativen
Technik, die eine Differenzierungskonstante λ von etwa 3 Nanosekunden erzeugt,
ist folgendes:
Rs = 100 Ohm
Rc = 500 Ohm
Cc = 4,7
Pikofarad
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Bei
dieser radikal anderen Auswahl der Schaltungskomponentenwerte des
Netzes 18 wird die immer noch durch τk = (Rs//Rc//Rd)·Ck gegebene Integrationszeitkonstante
der passiven Filterung kurz genug gemacht, damit die Bedingung (A)
erfüllt
wird, indem Rs und/oder Rc mit einem niedrigen Wert ausgewählt werden;
gleichzeitig wird durch geeignetes Auswählen des Werts der Kapazität 15 des
Koppelkondensators Cc die Differenzierungszeitkonstante λ = (Rc +
Rs//Rd)·Cc
eindeutig kürzer
gemacht als die Dauer Tqa des Lawinenstromimpulses, wobei sie jedoch
länger
gehalten wird als die Anstiegszeit des Impulses. Wie bereits gesagt
wurde, liegt die Dauer Tqa im Bereich von etwa 10 bis einigen Zehn
Nanosekunden, und deshalb liegt der für die Differenzierungszeitkonstante λ anzunehmende
Wert zwischen einer und einigen wenigen Nanosekunden.
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8 zeigt
eine Reihe von Impulsen, die nach dem Einkoppeln von Wechselstrom
am Punkt 17 der Schaltung von 6 erzeugt
wird, gemäß erfinderischer
Auswahl von Werten der Schaltungsparameter in dem Koppelnetz 18. 8(a) stellt die gleiche Sequenz von Impulsen
dar, wie sie in 7(a) dargestellt sind.
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In 8(b) ist eine wie in 8(a) die
Zeit anzeigende X-Achse und eine Y-Achse, die die Spannung am Punkt 17 in 6 bei
Vorliegen der Impulse angibt, zu sehen, die, mit der erfindungsgemäßen Auswahl
von Werten der Schaltungsparameter in dem Koppelnetz 18,
nach dem Einkoppeln von Wechselstrom den Impulsen 21, 22 und 23 entspricht.
In 8(b) ist zu sehen, dass nach dem
Koppelnetz entsprechend der Vorderkante jedes von der SPAD 21, 22 und 23 erzeugten
Impulses ein kurzer exponentieller Impuls erzeugt wird 37, 38 und 39,
der eine Vorderkante aufweist, die praktisch die gleiche ist wie
die des von der SPAD erzeugten Impulses, gefolgt von einem schnellen
exponentiellen Abklingen mit der Zeitkonstanten λ. Es ist dann weiterhin ersichtlich,
dass entsprechend der Hinterkante jedes von der SPAD 21, 22 und 23 erzeugten
Impulses ein Sekundärimpuls
erzeugt wird, der praktisch gleich dem Impuls entsprechend der Vorderkante
ist, aber mit entgegengesetzter Polarität 43, 44, 45.
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Weiterhin
ist zu sehen, dass angesichts des kleinen Werts der Zeitkonstanten λ der Sekundärimpuls
entgegengesetzter Polarität
bis zu einer vernachlässigbaren
Amplitude in einer kurzen Zeit abnimmt, die so kurz gestaltet werden
kann, dass sie von der endlichen Todzeit vollständig bedeckt wird, die in allen
bekannten AQC auf jeden Lawinenimpuls folgt und eine Dauer von mindestens
30 Nanosekunden besitzt, je nach der Arbeitsweise der AQC. Folglich
ist zu sehen, dass entsprechend den Ankunftszeiten 40, 41 und 42 der
Impulse 37, 38 und 39 die Basislinie
nicht durch Enden aufgrund von vorausgegangenen Impulsen verschoben
wird und dass deshalb der Schwellwert 33 des Vergleichers 16 von
den Impulsen an Punkten 46, 47 und 48 gekreuzt
wird, die auf der gleichen Höhe
entlang der Vorderkante liegen, dass sie immer mit der gleichen
Verzögerung bezüglich des
Anfangs des Impulses gekreuzt wird, und es gibt keine zusätzlichen
Verzögerungen
mit fluktuierendem Wert.
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Zusätzlich zu
dem, was bereits gesagt wurde, ist die Auswahl von Werten der Schaltungskomponenten
von 6 bevorzugt so, dass ein niedriger Schwellwert
des Vergleichers 16 auf einem Pegel definiert wird, der
einem Lawinenstrom der SPAD 1 von etwa 200 Mikroampere
oder weniger entspricht. Auf diese Weise wird der Auslöseschwellwert
des Vergleichers von dem ersten Teil des Anstiegs des Lawinenstromimpulses
gekreuzt, in dem die Eigenfluktuationen kleiner sind.
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Die
vorliegende Erfindung kann mit Varianten in der Schaltungskonfiguration
implementiert werden, die sich jeder Schaltungsdesigner mit normalen
Fertigkeiten ausdenken kann und von denen einige Fälle hiermit
als nicht einschränkende
Beispiele hervorgehoben sind.
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Das
Koppelnetz im Wechselstrom 18 mit kapazitiver Kopplung,
hergestellt aus Widerständen und
Kondensatoren gemäß der erfindungsgemäßen Auswahl
von Werten, kann durch andere lineare Netze aus anderen Komponenten
ersetzt werden, die die gleiche Übertragungsfunktion
bereitstellen, das heißt,
die eine Tiefpassfilterung (ungefähre Integration) und eine Hochpassfilterung
(ungefähre
Differenzierung) mit wie beschrieben ausgewählten Parameterwerten erzeugen.
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Eine
mögliche
Variante, die anstelle einer kapazitiven Kopplung eine induktive
Kopplung verwendet, ist in 9 gezeigt.
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Es
ist in 9 zu sehen, dass das Koppelnetz im Wechselstrom 19 anstelle
des Kondensators 15 Cc von 6 zwei gekoppelte
Induktionsspulen 50 und 51 mit gegenseitiger Induktanz
Mc verwendet. Es ist ersichtlich, dass die erste Induktanz, die
zwischen Kathode 2 und dem an die Vorspannung +VAA angeschlossenen
Schaltungsknoten 200 geschaltet ist, in Reihe mit dem Signalwiderstand
Rs geschaltet ist, und dass die zweite Induktionsspule, die zwischen
den Eingang 17 des Vergleichers und Masse geschaltet ist,
parallel zu dem Widerstand 14 der Kopplung Rc geschaltet
ist. Die gegenseitig gekoppelten Induktionsspulen mit für die Aufgabe
geeigneten Charakteristiken können
mit zwei gekoppelten Wicklungen aus einigen wenigen Windungen hergestellt
werden, die eine geringe Streukapazität und eine schwache induktive
Kopplung aufweisen, nur bei hohen Frequenzen effizient. Indem Vorstellungen der
bekannten Elektroniktechnik verwendet werden, kann das besagte induktive
Koppelnetz so ausgelegt werden, dass es eine Hochpassgrenze mit
Differenzierungszeitkonstante mit einem Wert zwischen einem und
einigen wenigen Nanosekunden, wie oben gesagt, und eine Tiefpassgrenze
bei ausreichend hoher Frequenz, wie oben gesagt, implementiert.
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Die
SPAD-Photodiode kann mit einer negativen Versorgungsspannung –VAA anstelle
einer positiven vorgespannt werden, wodurch die negative Spannung –VAA an
den Schaltungsknoten 200 in 6 oder 7 angelegt
wird und gleichzeitig zwischen ihnen die Verbindungen von Kathode 2 und Anode 3 invertiert
werden, das heißt,
die Kathode 2 an die AQC (aktive Löschschaltung) und die Anode 3 an
den auf Spannung –VAA
vorgespannten Anschluss angeschlossen wird. Die Polaritätsänderung der
Vorspannung bewirkt natürlich
die Polaritätsänderung
auch der Signale bezüglich
dessen, was bereits beschrieben wurde.
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Der
an die AQC angeschlossene Anschluss der SPAD-Photodiode kann ebenfalls
auf eine positive oder negative Spannung vorgespannt werden, die von
Masse verschieden ist, und zwar mit einem Wert innerhalb des Bereichs,
der von den Schaltungen gestattet wird, die die AQC bilden.
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Es
kann angemerkt werden, dass ein Koppelnetz im Wechselstrom mit gemäß der vorliegenden
Erfindung ausgewählten
Parameterwerten den Vorzug hat, dass es sich für den Einsatz in allen Lawinenlöschschaltungskonfigurationen
für SPAD-Photodioden eignet,
die in der technischen und wissenschaftlichen Literatur beschrieben
sind, und zwar sowohl mit aktivem Löschen als auch mit passivem
Löschen.