JP6695364B2 - シングルフォトンアバランシェダイオード制御回路 - Google Patents
シングルフォトンアバランシェダイオード制御回路 Download PDFInfo
- Publication number
- JP6695364B2 JP6695364B2 JP2018005809A JP2018005809A JP6695364B2 JP 6695364 B2 JP6695364 B2 JP 6695364B2 JP 2018005809 A JP2018005809 A JP 2018005809A JP 2018005809 A JP2018005809 A JP 2018005809A JP 6695364 B2 JP6695364 B2 JP 6695364B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- spad
- control circuit
- circuit
- switch
- signal
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 claims description 24
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 20
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 claims description 13
- 238000005070 sampling Methods 0.000 claims description 10
- 230000008859 change Effects 0.000 description 8
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 8
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 8
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 description 7
- 230000006870 function Effects 0.000 description 6
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 description 4
- 238000002965 ELISA Methods 0.000 description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 230000001678 irradiating effect Effects 0.000 description 2
- 230000003446 memory effect Effects 0.000 description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 description 1
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 1
- 230000002542 deteriorative effect Effects 0.000 description 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 1
- 238000002292 fluorescence lifetime imaging microscopy Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 102000004169 proteins and genes Human genes 0.000 description 1
- 108090000623 proteins and genes Proteins 0.000 description 1
- 238000010791 quenching Methods 0.000 description 1
- 230000000171 quenching effect Effects 0.000 description 1
- 238000004904 shortening Methods 0.000 description 1
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
- G01J1/42—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
- G01J1/44—Electric circuits
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
- G01J1/42—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
- G01J1/44—Electric circuits
- G01J2001/4413—Type
- G01J2001/442—Single-photon detection or photon counting
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
- G01J1/42—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
- G01J1/44—Electric circuits
- G01J2001/4446—Type of detector
- G01J2001/446—Photodiode
- G01J2001/4466—Avalanche
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Light Receiving Elements (AREA)
- Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
Description
図6に一般的なSPAD制御回路の一例を示す。図6(a)はSPAD110のアノードに−20V程度の負のバイアス電圧が印加され、光子の検出をSPAD110のカソードから読み出す場合の構成例である。図6(a)のSPAD制御回路は、SPAD110と、SPAD110のカソードをVDD電圧にバイアスするpchトランジスタ695(高抵抗として機能する)と、アバランシェ降伏によるカソードの電圧変化を読み出し、出力端子660にデジタル信号doutとして出力するためのインバータ635と、SPAD110のカソードをSPAD110の状態に応じて0VまたはVDD電圧にバイアスするためのトランジスタ670(671、672A、672B)とNANDゲート645から構成される。
図6(a)と(b)は互いに相補的であり基本動作は同一であるため、図6(b)を用い動作を説明し、図6(a)の動作説明を省略する。
以下、本発明の一実施形態について、詳細に説明する。
SPAD制御回路100は、図1に示すように、アバランシェ降伏によるアノードの電圧変化を読み出し、出力端子160にデジタル出力信号doutとして出力するための組み合わせ回路(バッファ150)と、アノードの電圧変化を読み出し、後述する順序回路に出力する組み合わせ回路(バッファ130)と、SPAD110のアノードをSPAD110の状態に応じて0Vにバイアスするためのスイッチ(トランジスタ120)と、順序回路(フリップフロップ140)とから構成される。
続いて、タイミング図である図2(a)を用いて図1のSPAD制御回路100の動作を説明する。図2(a)に示すように、SPAD110が光子を検知した直後、出力端子160に出力されるデジタル出力信号doutはロジックレベル‘0’から‘1’となり、順序回路(フリップフロップ140)の出力(set_spad)では‘0’が保持され、スイッチ(トランジスタ120)はオフ状態が保持される(時刻t0以前)。この状況においてSPAD110はスタンバイ状態にあり、光子を検出できない。また、この状態において、SPAD110のアノード電圧は供給電圧VDD付近になり、SPAD110のカソード電圧とアノード電圧差は逆バイアス時のブレークダウン電圧未満に設定される(スタンバイ状態)。
本発明の他の実施形態について、以下に説明する。なお、説明の便宜上、上記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。
図3は図1のSPAD制御回路100に、更に、SPAD110のアノードを0Vにバイアスするnchトランジスタ390(高抵抗として機能する)と、SPAD110のアノードをSPAD110の状態に応じてVDD電圧にバイアスするためのスイッチ370(pchトランジスタ370A、370B)と、組み合わせ回路(インバータ380)とを備えるSPAD制御回路300を示す。
図3のSPAD制御回路の動作は、基本的に図1と同じであるが、異なる点について以下に説明する。スイッチ370(pchトランジスタ370A、370B)は順序回路の出力信号S4(set_spad)およびSPAD110の状態に応じて、SPAD110をスタンバイ状態で保持するための構成である。順序回路の出力信号S4(set_spad)=‘0’かつSPAD110のアノード電圧がVDD付近になったときのみ、SPAD110のアノードをVDD電圧にバイアスし、SPAD110をスタンバイ状態に保持する。つまり、順序回路の出力信号S4が0であり、出力信号S3(resetb_asyn)が‘1’である場合、スイッチ370(トランジスタ370Aと370B)はともに導通し、SPAD110のアノード電圧をVDD電圧にバイアスする。言い換えると、組み合わせ回路(バッファ130)からの出力信号S3および順序回路の出力信号S4によりスイッチ370(pchトランジスタ370A、370B)を制御する。これにより、SPAD110をスタンバイ状態に保持する。例えば、図3のSPAD制御回路においてスイッチ370(pchトランジスタ370A、370B)が除去された場合を想定する。この場合、SPAD110がアバランシェ降伏によりスタンバイ状態に移行したときスイッチ(トランジスタ120)はオフ状態のままであるため、アノード端子が高インピーダンス状態となる。そのため、SPAD110のアノードに存在する寄生電流リークやnchトランジスタ390により、アノード電圧は0Vに向けて降圧する可能性がある。スイッチ370(pchトランジスタ370A、370B)は、SPAD110をVDD電圧に安定的に保持し、安定したスタンバイ状態を保つための構成である。すなわち、組み合わせ回路(バッファ130)がSPAD110のアバランシェ降伏を検出するとともに、スイッチ370(pchトランジスタ370Aおよび370B)を導通することで、SPAD110をアバランシェ降伏直後に安定したスタンバイ状態に保持することができる。
本発明の更に別の実施形態について、以下に説明する。なお、説明の便宜上、上記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。
図4は、実施形態3に係るSPAD制御回路400の構成を示す図である。図4は、図3に記載のSPAD制御回路における組み合わせ回路の実施形態のひとつであるインバータ380をNORゲート480に置き換え、デジタル出力信号doutにつながる組み合わせ回路の実施形態のひとつであるバッファ150をNORゲート450AとANDゲート450Bからなる組み合わせ回路450に置き換えることによって得られる構成である。
光子がSPAD110に飛来し、SPAD110にアバランシェ降伏が発生する場合のSPAD制御回路400の動作は、基本的には図1のSPAD制御回路100または図3のSPAD制御回路300と同様である。
図5(a)及び(b)は、実施形態4に係る検出システムの概略図である。
図5(a)は、図4に記載のSPAD制御回路400の応用例を示す。システム500は、SPAD制御回路400が搭載されたIC(SPAD制御回路400を搭載したIC501)と、パルス発光する光源(パルス発光レーザ502)と、パルス発光レーザ502とSPAD制御回路400を同期して動作させるためのタイミング制御回路503と、クロック発生回路504とから構成される。
サンプルにレーザパルス光を照射することで、レーザ照射終了直後に微弱な蛍光がサンプルから放射される。その微弱蛍光をSPAD110で検知することで、サンプルの光解析が可能である。しかしながら、この構成では、SPAD110に向けて、強いレーザパルス光も照射される。SPAD110が強いレーザパルス光を検出すると、サンプルからの微弱光を検知できない。レーザパルス光の照射を図2(b)に示すセット準備期間、つまり、SPAD110がスタンバイ状態に保持されている期間に照射することで、SPAD制御回路400はレーザパルス光を検知せず、サンプルからの微弱光のみを検知できる。図5(a)に示すように、クロック発生回路504、タイミング制御回路503により、セット準備期間を設定する外部パルス信号S1(set_pulse)と同期させてパルス発光レーザ502を動作させる。したがって、光源(パルス発光レーザ502)は、SPAD制御回路に同期してパルス発光する。これにより、レーザパルスの発光タイミングがセット準備期間内となるように調整し、図2(b)に示す動作が可能となる。
本発明の態様1に係るSPAD制御回路は、光子を検出するSPAD制御回路であって、シングルフォトンアバランシェダイオード(SPAD)と、前記SPADの2端子のうちの一方の端子に電圧を印加するスイッチ(トランジスタ120)と、前記SPADがアクティブ状態かスタンバイ状態かを検出する組み合わせ回路(バッファ130)と、前記SPADをアクティブ状態に設定するためのパルス信号(外部パルス信号S1)を入力する端子(フリップフロップデータ入力端子141)と、リセットに関する信号を入力する端子(フリップフロップ非同期リセット入力端子143)と、出力端子(フリップフロップデータ出力端子144)とを有する順序回路(フリップフロップ140)と、を備え、前記順序回路(フリップフロップ140)の出力端子(フリップフロップデータ出力端子144)から出力される出力信号(S4(set_spad))によって前記スイッチ(トランジスタ120)が制御されるとともに、前記組み合わせ回路(バッファ130)の出力信号(S3(resetb_asyn))が、前記順序回路(フリップフロップ140)の前記リセットに関する信号を入力する端子(フリップフロップ非同期リセット入力端子143)に入力されることを特徴とする。
110 シングルフォトンアバランシェダイオード(SPAD)
120 トランジスタ
130、150 バッファ
140 フリップフロップ
141 フリップフロップデータ入力端子
142 フリップフロップクロック入力端子
143 フリップフロップ非同期リセット入力端子
144 フリップフロップデータ出力端子
160 出力端子
370 スイッチ
370A、370B pchトランジスタ
380 インバータ
390 nchトランジスタ
501 IC
502 パルス発光レーザ
503 タイミング制御回路
504 クロック発生回路
450 組み合わせ回路
450A NORゲート
450B ANDゲート
480 NORゲート
Claims (4)
- 光子を検出するSPAD制御回路であって、
シングルフォトンアバランシェダイオード(SPAD)と、
前記SPADの2端子のうちの一方の端子に電圧を印加するスイッチと、
前記SPADがアクティブ状態かスタンバイ状態かを検出する組み合わせ回路と、
前記SPADをアクティブ状態に設定するためのパルス信号を入力する第1入力端子と、リセットに関する信号を入力する第2入力端子と、出力端子とを有する順序回路と、
を備え、
前記順序回路の出力端子から出力される出力信号によって前記スイッチが制御され、
前記組み合わせ回路の出力信号が、前記順序回路の前記第2入力端子に入力されるとともに、
前記組み合わせ回路によるアクティブ状態の検出に同期して前記順序回路がリセットされること
を特徴とするSPAD制御回路。 - 前記順序回路が更に、基本クロック信号を入力する第3入力端子を有し、
前記パルス信号が前記基本クロック信号のサンプリングエッジを1つだけ包含するように入力され、
前記包含された1つのサンプリングエッジ直後に上記スイッチが導通することを特徴とする請求項1に記載のSPAD制御回路。 - 前記一方の端子に電圧を印加するための別のスイッチを更に備え、
前記組み合わせ回路が前記SPADのアバランシェ降伏を検出するとともに前記別のスイッチを導通することで、前記SPADをアバランシェ降伏直後に安定したスタンバイ状態に保持することを特徴とする請求項1または2に記載のSPAD制御回路。 - 請求項3に記載のSPAD制御回路と、
パルス発光する光源と、
を備え、
前記SPAD制御回路は、
前記パルス信号に依存したセット準備期間を有し、
前記セット準備期間に同期して前記別のスイッチが導通し、前記SPADがスタンバイ状態に保持されるとともに、
前記スタンバイ状態の期間に、前記光源がパルス発光すること、
を特徴とする検出システム。
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2018005809A JP6695364B2 (ja) | 2018-01-17 | 2018-01-17 | シングルフォトンアバランシェダイオード制御回路 |
US16/249,294 US10788363B2 (en) | 2018-01-17 | 2019-01-16 | Single photon avalanche diode control circuit |
CN201910041429.8A CN110044478A (zh) | 2018-01-17 | 2019-01-16 | 单光子雪崩二极管控制电路以及检测系统 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2018005809A JP6695364B2 (ja) | 2018-01-17 | 2018-01-17 | シングルフォトンアバランシェダイオード制御回路 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2019125717A JP2019125717A (ja) | 2019-07-25 |
JP6695364B2 true JP6695364B2 (ja) | 2020-05-20 |
Family
ID=67212805
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2018005809A Active JP6695364B2 (ja) | 2018-01-17 | 2018-01-17 | シングルフォトンアバランシェダイオード制御回路 |
Country Status (3)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US10788363B2 (ja) |
JP (1) | JP6695364B2 (ja) |
CN (1) | CN110044478A (ja) |
Families Citing this family (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20220264047A1 (en) * | 2019-08-01 | 2022-08-18 | Ecole Polytechnique Federale De Lausanne (Epfl) | Low-power image sensor system with single-photon avalanche diode photodetectors |
JPWO2021090691A1 (ja) * | 2019-11-05 | 2021-05-14 | ||
TW202141064A (zh) | 2020-03-24 | 2021-11-01 | 日商索尼半導體解決方案公司 | 受光裝置及測距裝置 |
CN118575286A (zh) | 2022-02-17 | 2024-08-30 | 索尼半导体解决方案公司 | 光电检测装置和光电检测装置的制造方法 |
Family Cites Families (12)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
IT1316793B1 (it) * | 2000-03-09 | 2003-05-12 | Milano Politecnico | Circuito monolitico di spegnimento attivo e ripristino attivo perfotodiodi a valanga |
US7897906B2 (en) * | 2007-03-23 | 2011-03-01 | Excelitas Canada Inc. | Double quench circuit for an avalanche current device |
JP2009238935A (ja) * | 2008-03-26 | 2009-10-15 | Nec Corp | 光検出回路、光検出器並びにこれを用いた装置及びシステム、並びにバイアス電源の制御方法 |
US9068881B2 (en) * | 2010-07-13 | 2015-06-30 | At&T Intelletual Property I, L.P. | Characterization of single-photon detectors using a continuous wave laser source |
DE102012009780A1 (de) | 2012-05-18 | 2013-11-21 | Leica Microsystems Cms Gmbh | Verfahren und Vorrichtung zum Untersuchen einer Probe |
GB201300334D0 (en) * | 2013-01-09 | 2013-02-20 | St Microelectronics Ltd | Sensor circuit |
CN103148950B (zh) * | 2013-03-15 | 2015-06-03 | 中国电子科技集团公司第四十四研究所 | 一种集成门控主动式淬火恢复电路 |
JP6285168B2 (ja) * | 2013-12-17 | 2018-02-28 | 株式会社デンソー | レーダ装置 |
CN103940509B (zh) * | 2014-03-20 | 2016-03-23 | 南京大学 | 一种近红外光谱仪及其测量方法 |
KR102409952B1 (ko) * | 2014-04-07 | 2022-06-17 | 삼성전자주식회사 | 고해상도, 고프레임률, 저전력 이미지 센서 |
TWI544303B (zh) * | 2015-01-30 | 2016-08-01 | 財團法人工業技術研究院 | 單光子雪崩光電二極體的超額偏壓控制系統與方法 |
CN107449516B (zh) * | 2017-07-06 | 2019-07-23 | 东南大学 | 一种自适应探测模式的光子计数线阵读出电路及方法 |
-
2018
- 2018-01-17 JP JP2018005809A patent/JP6695364B2/ja active Active
-
2019
- 2019-01-16 US US16/249,294 patent/US10788363B2/en active Active
- 2019-01-16 CN CN201910041429.8A patent/CN110044478A/zh active Pending
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2019125717A (ja) | 2019-07-25 |
CN110044478A (zh) | 2019-07-23 |
US20190219443A1 (en) | 2019-07-18 |
US10788363B2 (en) | 2020-09-29 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP6695364B2 (ja) | シングルフォトンアバランシェダイオード制御回路 | |
US6727684B2 (en) | Magnetic field sensor | |
CN104729724B (zh) | 基于失调控制差分放大结构的单光子雪崩二极管淬灭电路 | |
Tyndall et al. | A High-Throughput Time-Resolved Mini-Silicon Photomultiplier With Embedded Fluorescence Lifetime Estimation in 0.13$\mu $ m CMOS | |
US7474112B2 (en) | Method and apparatus for non-invasively testing integrated circuits | |
JPH10150086A (ja) | Cmos回路の内部スイッチング及び他の動的パラメータを測定する非侵襲性光学方法 | |
US20090179787A1 (en) | Comparator and a/d converter | |
JP2002207068A (ja) | 集積回路デバイス検査のためのチップ内蔵光駆動型ラッチ | |
JP2009164681A (ja) | 読み出し回路、抵抗可変素子装置、及び撮像装置 | |
KR102684998B1 (ko) | 테스트 회로, 테스트 장치 및 이의 테스트 방법 | |
Goll et al. | A fully integrated SPAD-based CMOS data-receiver with a sensitivity of− 64 dBm at 20 Mb/s | |
Chang et al. | Constant excess bias control for single-photon avalanche diode using real-time breakdown monitoring | |
CN108204859B (zh) | 光电检测电路和光电检测装置 | |
CN111337905A (zh) | 一种基于ctia的双模式焦平面像素级电路及实现方法 | |
JP2803499B2 (ja) | アナログ・デジタルcmos集積回路 | |
US10009567B2 (en) | Group selection circuit, and column readout device and method thereof | |
JPH0547129B2 (ja) | ||
US7071704B1 (en) | Circuit for improved diagnosability of defects in a fuse scan structure | |
US20080112241A1 (en) | Integrated circuit device | |
TW202008771A (zh) | 具有比例電容器的焦平面陣列 | |
TW202017360A (zh) | 雙模式焦平面陣列 | |
JPH0147051B2 (ja) | ||
US8451009B2 (en) | Techniques employing light-emitting circuits | |
JP6259669B2 (ja) | 検査装置および計測装置 | |
US11496701B2 (en) | Digital pixel comparator with bloom transistor frontend |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20181227 |
|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20181227 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20191212 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20191217 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20200131 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20200324 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20200421 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 6695364 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |