TW201627791A - 單光子雪崩光電二極體的超額偏壓控制系統與方法 - Google Patents

單光子雪崩光電二極體的超額偏壓控制系統與方法 Download PDF

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Abstract

一種單光子雪崩光電二極體的超額偏壓控制系統，包含：一電源供應器，產生一供應電壓；一單光子雪崩光電二極體，具有一第一端接收該供應電壓，具有一第二端產生一輸出電壓訊號；一控制電路，連接於該單光子雪崩光電二極體的該第二端，其中，該控制電路根據該輸出電壓訊號的變化以及一超額偏壓準位來產生一重置準位；以及一負載，具有一第一端連接至該單光子雪崩光電二極體的該第二端，具有一第二端連接至該控制電路以接收該重置準位。

Description

單光子雪崩光電二極體的超額偏壓控制系統與方法
本揭露為一種二極體的偏壓控制系統與方法，且特別是有關於一種單光子雪崩光電二極體(single photon avalanche photo diode)的超額偏壓控制系統與方法。
一般來說，光電檢測器(photo detector)根據其操作形式可進一步區分為一般的光電二極體(photo diode、簡稱PD)、雪崩光電二極體(avalanche photo diode、簡稱APD)、單光子雪崩光電二極體(single photon avalanche photo diode，簡稱SPAD)。
請參照第1圖，其所繪示為各種光電檢測器的偏壓操作範圍及其光增益(optical gain)示意圖。一般的光電二極體PD其操作在逆向偏壓(reverse bias)值相對低的區域，因此光增益不高，一個光子最多激發一電子電洞對(electron-hole pair)。
雪崩光電二極體APD係操作在線性模式，其工作點電壓，或可稱之為偏壓電壓，靠近崩潰電壓準位-Vbd，且大於崩潰電壓準位-Vbd。亦即，偏壓電壓之絕對值小於崩潰電壓準位-Vbd的絕對值。
單光子雪崩光電二極體SPAD係操作在蓋格模式(Geiger mode)，其偏壓電壓小於崩潰電壓準位-Vbd，亦即，偏壓電壓的絕對值大於崩潰電壓準位-Vbd的絕對值。例如偏壓電壓為-(Vbd+Ve)，其中Ve稱為超額偏壓準位(excess bias level)，且Ve 為正值。在高電場操作之下，單光子雪崩光電二極體SPAD的光增益非常大，約在106數量級。
請參照第2圖，其所繪示為採用電荷泵(charge pump)為供應電壓源之單光子雪崩光電二極體SPAD的負載電流Iload變化與超額偏壓準位Ve之間的關係圖。其中，單光子雪崩光電二極體SPAD與負載(load)串接於供應電壓Vop與接地電壓之間，且溫度維持定值。由第2圖可知，當負載電流Iload靜止時，超額偏壓準位Ve最大；當負載電流Iload逐漸增加時，超額偏壓準位Ve會隨著Vop變小而逐漸降低。再者，由於超額偏壓準位Ve會影響到單光子雪崩光電二極體SPAD的靈敏度(sensitivity)，所以當負載電流Iload逐漸增加時，超額偏壓準位Ve會逐漸降低，造成單光子雪崩光電二極體SPAD的靈敏度也會逐漸降低。
請參照第3圖，其所繪示為採用電荷泵為供應電壓源之單光子雪崩光電二極體SPAD的溫度T變化與超額偏壓準位Ve之間的關係圖。其中，單光子雪崩光電二極體SPAD與負載串接於供應電壓Vop與接地電壓之間，且負載電流Iload維持定值。由第3圖可知，當溫度T逐漸上升時，崩潰電壓準位Vbd會逐漸增加，導致超額偏壓準位Ve會逐漸減少。再者，由於超額偏壓準位Ve會影響到單光子雪崩光電二極體SPAD的靈敏度，所以當溫度T上升時，超額偏壓準位Ve會逐漸降低，造成單光子雪崩光電二極體SPAD的靈敏度也會逐漸降低。
由以上的說明可知，由於崩潰電壓準位Vbd以及供應電壓Vop皆可能隨著操作環境變化，因此如何能夠穩定地控制單光子雪崩光電二極體SPAD的偏壓電壓以及超額偏壓準位Ve為一個重要的技術議題。
請參照第4圖，其所繪示為一般單光子雪崩光電二極體SPAD的偏壓調整電路。該偏壓調整電路根據參考二極體26的暗計數(dark count)來調整其他二極體的偏壓，用以保持固定的超額偏壓。
如第4圖所示，被不透明殼體(enclosed in a light opaque housing)36所遮住的參考二極體26電連接至主動抑制電路(active quenching circuit，簡稱AQR)44與參考電壓源(Vref)之間。再者，閘計數器(gated counter)46可在一預定週期(predefined time period)計算暗計數率(dark count rate，簡稱DCR)。之後，閘計數器46根據暗計數率(DCR)輸出一第一數位數值至控制器48，使得控制器48根據一查找表來產生一第二數位數值至數位轉類比轉換器(digital-to-analog converter，簡稱DAC)50。而數位轉類比轉換器(DAC)50即可據以控制可變電壓源52產生一偏壓電壓Vbias至其他二極體54。
根據以上之說明，一般單光子雪崩光電二極體SPAD的偏壓調整電路係根據參考二極體26的暗計數率(DCR)來判斷崩潰電壓的變化，並根據參考二極體其崩潰電壓的變化來控制其他二極體54的偏壓。再者，一般單光子雪崩光電二極體SPAD的偏壓調整電路中，可能需要利用一個被不透明殼體42所遮住的參考二極體26才能完成。
請參照第5圖，其所繪示為一般單光子雪崩光電二極體SPAD的溫度補償及其控制電路。該溫度補償及其控制電路係量測參考二極體58的崩潰電壓，並據以調整其他二極體的偏壓。
如第5圖所示，被遮住的參考光電二極體58電連接至再充電電路60。再者，類比轉數位轉換器(A/D)62量測被遮住的參考光電二極體58的崩潰電壓，並產生第一數位數值至偏壓控制迴路64。再者，偏壓控制迴路64產生第二數位數值至數位轉類比轉換器(DAC)66，使得數位轉類比轉換器(DAC)66即可據以控制可變電壓源58產生一偏壓電壓至其他二極體70。
根據以上之說明，一般單光子雪崩光電二極體SPAD的溫度補償及其控制電路係根據被遮住的參考光電二極體58的崩潰電壓的變化來控制其他二極體70的偏壓。同理，一般單光 子雪崩光電二極體SPAD的溫度補償及其控制電路中，也需要利用一個被遮住的參考光電二極體58才能完成。
請參照第6圖，其所繪示為一般運用於單光子雪崩光電二極體SPAD的溫度與負載補償。該溫度與負載補償係根據暗計數率(DCR)及其脈波寬度來調整數位電荷泵(DCP)的輸出電壓用以控制單光子雪崩光電二極體SPAD的超額偏壓。
如第6圖所示，溫度與負載補償包括數位電荷泵(DCP)80、單光子雪崩光電二極體SPAD陣列估算器(emulator)82、環境監測器84、FPGA與主機86、以及數位控制震盪器88。
基本上，由於暗計數率(DCR)與脈波寬度係與溫度以及超額偏壓之變化相關。因此，FPGA與主機86即接收環境監測器84所產生的信號來計算出暗計數率(DCR)與脈波寬度，並據以控制數位控制震盪器(DCO)88與數位電荷泵(DCP)80來產生供應電壓Vop，用以調整單光子雪崩光電二極體SPAD 89a~89c的超額偏壓。
根據以上之說明，一般單光子雪崩光電二極體SPAD的溫度與負載電流補償係根據單光子雪崩光電二極體SPAD 89a~89c的暗計數率(DCR)與脈波寬度的變化來改變供應電壓Vop並進一步調整超額偏壓。同理，一般單光子雪崩光電二極體SPAD的溫度與負載補償中，也可能需要利用被遮住的單光子雪崩光電二極體SPAD 89a~89c才能完成。
請參照第7A圖與第7B圖，其所繪示為一般高動態範圍光偵測器及其操作方法40。如第7A圖所示，高動態範圍光偵測器包括：PIN二極體112、單光子雪崩光電二極體SPAD 116、感測電晶體114、讀取電晶體118以及重置電晶體120。其中，PIN二極體112係操作於線性模式且單光子雪崩光電二極體SPAD 116係操作於蓋格模式(Geiger mode)。再者，高動態範圍光偵測器係根據其接收的光通量(light flux)來切換於線性模式或者蓋格模式。
再者，如第7B圖所示，一般高動態範圍光偵測器會先偵測光的狀況180。並且，當光大於等於臨限值時，則操作在線性模式188，反之操作在蓋格模式184。再者，於蓋格模式184時，尚未輸出飽和186時，則維持在蓋格模式184；反之，已經輸出飽和186時，則切換至線性模式188。再者，於線性模式188時，當雜訊小於等於臨限值190時，則切換至蓋格模式184；反之，當雜訊未小於等於臨限值190時，則維持在線性模式188。
上述之高動態範圍光偵測器需要操作在線性模式與蓋格模式之間，因此對應的信號處理電路會相對複雜。
請參照第8圖，其所繪示為一般環境光偵測系統與方法。如第8圖所示，感測元件200中包括：基板202、發光二極體204、單光子雪崩光電二極體SPAD陣列206、濾鏡208、校準濾鏡210、透鏡209、211與紅外線可通過之棕色窗212。再者，單光子雪崩光電二極體SPAD陣列206中更區分為：表面未加工的單光子雪崩光電二極體SPAD(Raw SPAD)，亦即第一型無衰減畫素214；表面為紅外線可通過的單光子雪崩光電二極體SPAD，亦即第二型無衰減畫素216；以及表面為不透光金屬的單光子雪崩光電二極體SPAD，亦即有衰減畫素218。
在感測元件200的運作上，當亮度大於臨限值的高亮度環境下，可利用有衰減畫素218來進行量測。反之，當亮度低於臨限值的低亮度環境下，即利用無衰減畫素214與216來進行量測。
基本上，上述感測元件200需要額外的校正電路(calibration circuit)用於修正有衰減畫素218以及無衰減畫素214與216之間的不匹配，以避免感測元件200在運作上可能會遭遇到不準確的問題。
本揭露提出一種單光子雪崩光電二極體的超額偏壓控制系統與方法。利用全新的控制系統電路架構，用以較精確的控制超額偏壓，並且可藉由控制超額偏壓以達成具備高動態範圍的影像器(imager)。
本揭露提出一種單光子雪崩光電二極體的超額偏壓控制系統，包含：一電源供應器，產生一供應電壓；一單光子雪崩光電二極體，具有一第一端接收該供應電壓，具有一第二端產生一輸出電壓訊號；一控制電路，連接於該單光子雪崩光電二極體的該第二端，其中，該控制電路根據該輸出電壓訊號的變化以及一超額偏壓準位來獲得一重置準位；以及一負載，具有一第一端連接至該單光子雪崩光電二極體的該第二端，具有一第二端連接至該控制電路用以接收該重置準位。
本揭露提出一種單光子雪崩光電二極體的超額偏壓控制方法，該單光子雪崩光電二極體的一第一端連接至一電源供應器，該單光子雪崩光電二極體的一第二端產生一輸出電壓訊號，一負載的一第一端連接至該單光子雪崩光電二極體的該第二端，該負載的一第二端接收一重置準位；該超額偏壓控制方法包括下列步驟：控制該單光子雪崩光電二極體操作在一蓋格模式；當該單光子雪崩光電二極體產生一光電流時，監測該輸出電壓訊號的一電壓變化，並根據該電壓變化與一超額偏壓準位來產生一重置準位；以及將該重置準位提供至該負載的第二端。
為了對本揭露之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉其一實施範例，並配合所附圖式，做詳細說明如下：
26、58‧‧‧參考光電二極體
36‧‧‧不透明殼體
44‧‧‧動作抑制電路
46‧‧‧閘計數器
48‧‧‧控制器
50、66‧‧‧數位轉類比器
52、68‧‧‧可變電壓源
54、70‧‧‧其他二極體
60‧‧‧再充電電路
62‧‧‧類比轉數位器
64‧‧‧偏壓控制迴路
80‧‧‧數位電荷泵
82‧‧‧SPAD陣列估算器
84‧‧‧環境監測器
86‧‧‧FPGA與主機
88‧‧‧數位控制震盪器
112‧‧‧PIN二極體
114‧‧‧感測電晶體
116‧‧‧單光子雪崩光電二極體
118‧‧‧讀取電晶體
180~190‧‧‧步驟流程
200‧‧‧感測元件
202‧‧‧透鏡
204‧‧‧發光二極體
206‧‧‧單光子雪崩光電二極體SPAD陣列
208、210‧‧‧濾鏡
209、211‧‧‧透鏡
212‧‧‧紅外線可通過之棕色窗
214‧‧‧第一型無衰減畫素
216‧‧‧第二型無衰減畫素
218‧‧‧有衰減畫素
310、350、400、450、500、600‧‧‧電源供應器
352、402、452、502、602‧‧‧負載
360、420、460、520、620‧‧‧控制電路
362、426、462、524、622‧‧‧取樣與維持電路
364、422、464、522、624‧‧‧電位移轉器
606‧‧‧抑制重置電路
626‧‧‧電壓調整器
628‧‧‧運算放大器
712‧‧‧比較器
714、716、722、724‧‧‧反閘
718‧‧‧反或閘
S810~S830‧‧‧步驟流程
第1圖所繪示為各種光電檢測器的偏壓操作範圍及其光增益示意圖。
第2圖所繪示為單光子雪崩光電二極體SPAD的負載電流 Iload變化與超額偏壓準位Ve之間的關係圖。
第3圖所繪示為單光子雪崩光電二極體SPAD的溫度T變化與超額偏壓準位Ve之間的關係圖。
第4圖所繪示為一般單光子雪崩光電二極體SPAD的偏壓調整電路。
第5圖所繪示為一般單光子雪崩光電二極體SPAD的溫度補償及其控制電路。
第6圖所繪示為一般運用於單光子雪崩光電二極體SPAD的溫度與負載電流補償。
第7A圖與第7B圖所繪示為一般高動態範圍光偵測器及其操作方法。
第8圖所繪示為一般環境光偵測系統與方法。
第9A圖至第9C圖所繪示為本揭露單光子雪崩光電二極體SPAD偵測電路及其相關信號示意圖。
第10A圖與第10B圖所示為單光子雪崩光電二極體SPAD的超額偏壓控制系統的第一實施例及其相關信號示意圖。
第11圖所繪示為本揭露單光子雪崩光電二極體SPAD的超額偏壓控制系統的第二實施例。
第12圖所繪示為本揭露單光子雪崩光電二極體SPAD的超額偏壓控制系統的第三實施例。
第13圖所繪示為本揭露單光子雪崩光電二極體SPAD的超額偏壓控制系統的第四實施例。
第14圖所繪示為本揭露單光子雪崩光電二極體SPAD的超額偏壓控制系統的第五實施例。
第15圖所繪示為第五實施例的詳細電路圖。
第16圖所繪示為本揭露單光子雪崩光電二極體SPAD的超額偏壓控制方法。
請參照第9A圖至第9C圖，其所繪示為單光子雪崩 光電二極體SPAD偵測電路及其相關信號示意圖。單光子雪崩光電二極體SPAD偵測電路包括：電源供應器310、單光子雪崩光電二極體SPAD、負載R。其中，電源供應器310可產生供應電壓Vop；單光子雪崩光電二極體SPAD的陰極端接收供應電壓Vop，陽極端因應接收光子激發而產生一輸出電壓訊號Vanode；負載的第一端連接至單光子雪崩光電二極體SPAD的陽極端，負載的第二端連接至接地電壓Gnd。
假設單光子雪崩光電二極體SPAD操作在蓋格模式，供應電壓Vop=Vbd+Ve，其中Vbd為崩潰電壓且Ve為超額偏壓準位。當單光子雪崩光電二極體SPAD未接收到任何光子激發時，光電流(sensing current)I(或者負載電流)為零。此時，單光子雪崩光電二極體SPAD為不動作狀態(off)，且陽極端之輸出電壓訊號Vanode準位為零。
再者，當單光子雪崩光電二極體SPAD於時間點t1接收到光子激發時，光電流I增加。此時，單光子雪崩光電二極體SPAD為動作狀態(on)，光電流I流經負載R產生I×R的跨壓(voltage drop)，使得陽極端之輸出電壓訊號Vanode準位由零上升。當陽極端之輸出電壓訊號Vanode上升到抑制準位(quenching level)時，單光子雪崩光電二極體SPAD上的跨壓降低至崩潰電壓準位Vbd，單光子雪崩光電二極體SPAD電流截止至零值，之後陽極端之輸出電壓訊號Vanode開始放電而於時間點t2放電至零值準位。
當單光子雪崩光電二極體SPAD再次接收到光子時，再次重覆時間點t1至時間點t2的動作。
根據單光子雪崩光電二極體SPAD的特性，本揭露提出如第10A圖所示之單光子雪崩光電二極體SPAD的超額偏壓控制系統的第一實施例。其中，單光子雪崩光電二極體SPAD的超額偏壓控制系統包括：電源供應器350、單光子雪崩光電二極體SPAD、負載352、控制電路360。再者，控制電路360中包括：取樣與維持電路362與電位移轉器364。
電源供應器310可產生供應電壓Vop；單光子雪崩光電二極體SPAD的陰極端接收供應電壓Vop，陽極端會因應接收光子激發而產生一輸出電壓訊號Vanode；負載的第一端連接至單光子雪崩光電二極體SPAD的陽極端；取樣與維持電路362接收陽極端之輸出電壓訊號Vanode，並產生抑制準位Vq；以及，電位移轉器364接收超額偏壓準位Ve，並據以將抑制準位Vq轉換為重置準位Vr，使得負載的第二端接收重置準位Vr。再者，重置準位Vr等於抑制準位Vq減去超額偏壓準位Ve。其中，電源供應器350可為電荷泵電路，負載352可為電阻。
由於電源供應器350提供的供應電壓Vop以及單光子雪崩光電二極體SPAD的崩潰電壓準位Vbd都可能根據環境溫度變化而改變。因此，本揭露的實施例在於利用取樣與維持電路362準確的取樣到單光子雪崩光電二極體SPAD的抑制準位Vq。接著，利用電位移轉器364將超額偏壓準位Ve疊加(superpose)於抑制準位Vq上而產生重置準位Vr，使得負載352第二端接收重置準位Vr。以下詳細說明之。
請參照第10B圖，其所繪示為單光子雪崩光電二極體SPAD的超額偏壓控制系統的相關信號示意圖。於時間點t1，單光子雪崩光電二極體SPAD接收到光子激發而動作(on)，並產生光電流I使得陽極端之輸出電壓訊號Vanode上升至抑制準位Vq。此時，抑制準位Vq即為供應電壓Vop減去崩潰電壓準位Vbd，亦即Vq=Vop-Vbd (1)
因此，取樣與維持電路362取樣出陽極端之輸出電壓訊號Vanode的極值電壓準位而成為抑制準位Vq。而在陽極端之輸出電壓訊號Vanode到達抑制準位Vq之後，將使得單光子雪崩光電二極體SPAD不動作(off)，而於時間點t2陽極端之輸出電壓訊號Vanode逐漸放電至零準位。
當取樣與維持電路362提供抑制準位Vq至電位移轉 器364時，電位移轉器364將超額偏壓準位Ve疊加於抑制準位Vq上而成為重置準位Vr，使得負載352第二端接收重置準位Vr。其中，重置準位Vr等於抑制準位Vq減去超額偏壓準位Ve，亦即Vr=Vq-Ve(2)
根據上述(1)、(2)，可以獲得Vop-Vr=Vbd+Ve。換言之，當單光子雪崩光電二極體SPAD不動作(off)時，即可確定單光子雪崩光電二極體SPAD上的跨壓為崩潰電壓準位Vbd加上超額偏壓準位Ve。
由以上的說明可知，不論電源供應器350提供的供應電壓Vop以及單光子雪崩光電二極體SPAD的崩潰電壓準位Vbd如何改變，當單光子雪崩光電二極體SPAD不動作(off)時，單光子雪崩光電二極體SPAD的跨壓為崩潰電壓準位Vbd加上超額偏壓準位Ve。因此本揭露的第一實施例可以在單光子雪崩光電二極體SPAD提供準確的超額偏壓準位Ve。再者，本揭露更可以藉由改變電位移轉器364所接收的超額偏壓準位Ve，進一步調整單光子雪崩光電二極體SPAD的光偵測機率(Photon Detection Probability,PDP)，使得本揭露的第一實施例具備高動態範圍的控制系統。
請參照第11圖，其所繪示為本揭露單光子雪崩光電二極體SPAD的超額偏壓控制系統的第二實施例。單光子雪崩光電二極體SPAD的超額偏壓控制系統包括：電源供應器400、單光子雪崩光電二極體SPAD、負載402、控制電路420。再者，控制電路420中包括：電位移轉器422以及取樣與維持電路426。
相較於第一實施例，其差異在於控制電路420中，電位移轉器422先將超額偏壓準位Ve疊加於陽極端之輸出電壓訊號Vanode並成為第一電壓訊號Vq’，亦即Vq’=Vanode-Ve。接著，取樣與維持電路426取樣出第一電壓訊號Vq’的極值電壓準位而成為重置準位Vr。相同地，第二實施例也可以獲得Vop-Vr=Vbd+Ve的結果。亦即，當單光子雪崩光電二極體SPAD不動作(off) 時，即可確定單光子雪崩光電二極體SPAD上的跨壓為崩潰電壓準位Vbd加上超額偏壓準位Ve。
請參照第12圖，其所繪示為本揭露單光子雪崩光電二極體SPAD的超額偏壓控制系統的第三實施例。單光子雪崩光電二極體SPAD的超額偏壓控制系統包括：電源供應器450、單光子雪崩光電二極體SPAD、負載452、控制電路460。再者，控制電路460中包括：取樣與維持電路462以及電位移轉器464。
電源供應器450可產生供應電壓Vop；單光子雪崩光電二極體SPAD的陽極端接收供應電壓Vop，陰極端因應接收光子激發而產生一電壓訊號輸出Vcathode；負載的第一端連接至單光子雪崩光電二極體SPAD的陰極端；取樣與維持電路462接收陰極端之輸出電壓訊號Vcathode，並產生抑制準位Vq；以及，電位移轉器464接收超額偏壓準位Ve，並將抑制準位Vq疊加上超額偏壓準位Ve而成為重置準位Vr，並使得負載的第二端接收重置準位Vr。再者，重置準位Vr等於抑制準位Vq加上超額偏壓準位Ve，亦即Vr=Vq+Ve。其中，電源供應器450可為電荷泵電路，負載452可為電阻。
同理，當單光子雪崩光電二極體SPAD接收到光子激發而動作(on)並產生光電流I使得陰極端之輸出電壓訊號Vcathode下降至抑制準位Vq。此時，取樣與維持電路462取樣陰極端之輸出電壓訊號Vcathode的極值電壓準位而獲得抑制準位Vq。此時，重置準位Vr即為供應電壓Vop加上崩潰電壓準位Vbd，亦即Vq=Vop+Vbd (3)
再者，當取樣與維持電路462提供抑制準位Vq至電位移轉器464時，電位移轉器464將超額偏壓準位Ve疊加於抑制準位Vq上而成為重置準位Vr，使得負載452第二端接收重置準位Vr。其中，重置準位Vr等於抑制準位Vq加上超額偏壓準位Ve，亦即 Vr=Vq+Ve (4)
根據上述(3)、(4)，可以獲得Vr-Vop=Vbd+Ve。換言之，當單光子雪崩光電二極體SPAD不動作(off)時，即可確定單光子雪崩光電二極體SPAD上的跨壓為崩潰電壓準位Vbd加上超額偏壓準位Ve。
請參照第13圖，其所繪示為本揭露單光子雪崩光電二極體SPAD的超額偏壓控制系統的第四實施例。單光子雪崩光電二極體SPAD的超額偏壓控制系統包括：電源供應器500、單光子雪崩光電二極體SPAD、負載502、控制電路520。再者，控制電路520中包括：電位移轉器522以及取樣與維持電路524。
相較於第三實施例，其差異在於控制電路520中，電位移轉器522先將超額偏壓準位Ve疊加於陰極端之輸出電壓訊號Vcathode並成為第一電壓訊號Vq’，亦即Vq’=Vcathode+Ve。接著，取樣與維持電路524取樣出第一電壓訊號Vq’的極值電壓準位而成為重置準位Vr。相同地，第二實施例也可以獲得Vr-Vop=Vbd+Ve的結果。亦即，當單光子雪崩光電二極體SPAD不動作(off)時，即可確定單光子雪崩光電二極體SPAD上的跨壓為崩潰電壓準位Vbd加上超額偏壓準位Ve。
請參照第14圖，其所繪示為本揭露單光子雪崩光電二極體SPAD的超額偏壓控制系統的第五實施例。單光子雪崩光電二極體SPAD的超額偏壓控制系統包括：電源供應器600、單光子雪崩光電二極體SPAD、負載602以及控制電路620。再者，負載602中包括：電晶體M1及抑制重置電路606；以及，控制電路620中包括：取樣與維持電路622、電位移轉器624以及電壓調整器)626。其中，電源供應器600可為電荷泵電路。
電源供應器600可產生供應電壓Vop；單光子雪崩光電二極體SPAD的陰極端接收供應電壓Vop，陽極端產生一輸出電壓訊號Vanode；負載602的第一端連接至單光子雪崩光電二極體SPAD的陽極端；取樣與維持電路622接收陽極端之輸出電 壓訊號Vanode，並產生抑制準位Vq；電位移轉器624接收一超額偏壓準位Ve，並將抑制準位Vq疊加上超額偏壓準位Ve而成為重置準位Vr；電壓調整器626接收重置準位Vr並產生調整電壓Vreg，並使得負載602的第二端接收調整電壓Vreg。其中，重置準位Vr等於抑制準位Vq減去超額偏壓準位Ve；且重置準位Vr等於調整電壓Vreg。
再者，控制電路620中的電壓調整器626可增強其輸出驅動能力，使得負載602的第二端快速穩定於重置準位Vr。電壓調整器626包括一運算放大器628，正輸入端接收重置準位Vr，負輸入端產生調整電壓Vreg；電晶體M2，源極端接收供應電壓VDD，汲極端連接至運算放大器的負輸入端，閘極連接至運算放大器628的輸出端；電阻R連接於運算放大器的負輸入端與接地電壓Gnd之間。再者，第五實施例中更在負載中使用抑制重置電路606，其用途之一在於讓取樣與維持電路622更正確地取樣到抑制準位Vq。詳細說明如下：當單光子雪崩光電二極體SPAD接收到光子激發而動作(on)並產生光電流I使得陽極端之輸出電壓訊號Vanode上升至抑制準位Vq。此時，抑制重置電路606會動作，並產生一控制信號Ctrl至電晶體M1閘極(控制端)，用以關閉(turn off)電晶體M1，使得單光子雪崩光電二極體SPAD陽極端上原來的導通路徑被斷開(open)，因此抑制準位Vq會維持較長的時間，使得取樣與維持電路622更正確地取樣到抑制準位Vq。
換言之，第五實施例中新增的電壓調整器626係用來增加控制電路620的輸出驅動能力，使得負載602的第二端接收調整電壓Vreg(亦即重置準位Vr)。再者，第五實施例中新增的抑制重置電路606可用來增加抑制準位Vq維持的時間，使得取樣與維持電路622更正確地取樣到抑制準位Vq。而相同的運作原理，當單光子雪崩光電二極體SPAD不動作(off)時，即可確定單光子雪崩光電二極體SPAD上的跨壓為崩潰電壓準位Vbd加上超 額偏壓準位Ve，亦即Vop-Vr=Vbd+Ve。
請參照第15圖，其所繪示為第五實施例的詳細電路圖。其中，取樣維持電路622以及電位移轉器624也可以運用於上述第一實施例至第四實施例。
抑制重置電路606中包括：比較器712、反閘714與716、反或閘718、電容C1、電晶體M8以及電晶體M3。其中，比較器712正輸入端接收陽極端之輸出電壓訊號Vanode，負輸入端接收一臨限電壓準位Vth1，輸出端產生控制信號Ctrl。亦即，當單光子雪崩光電二極體SPAD接收到光子而動作(on)並產生光電流I使得陽極端之輸出電壓訊號Vanode上升至臨限電壓Vth1以上時，比較器712會產生控制信號Ctrl至電晶體M1閘極，用以關閉(turn off)電晶體M1，使得原來單光子雪崩光電二極體SPAD陽極端上的導通路徑被斷開(open)。
另外，抑制重置電路606中的反閘714、電容C1、電晶體M8、反閘716係連接形成一單穩態電路。當控制信號Ctrl產生後，利用電流源電晶體M8的放電路徑來控制產生一脈衝信號，並且於反閘716輸出端產生取樣與維持控制信號SH。電晶體M8的閘極接收自一控制電壓，調整此電壓值可以控制其導通電流值大小，進而調整脈衝訊號寬度。再者，利用反或閘718輸出端來控制電晶體M3，在適當的時間開啟電晶體M3以重置單光子雪崩光電二極體SPAD陽極端電壓準位至零。基本上，抑制重置電路606中取樣與維持控制信號SH會先動作完成之後才會開啟電晶體M3。
取樣與維持電路622包括反閘722與724、傳輸閘與一電容C2。其中，傳輸閘由電晶體M4與M5所組成。當取樣與維持控制信號SH動作時，傳輸閘開啟使得陽極端之輸出電壓訊號Vanode之極值電壓準位被記錄於電容C2。換言之，電容器C2上的電壓即為抑制準位Vr。
電位移轉器624包括電晶體M6與M7組合成源極隨 耦器(source follower)。再者，電晶體M6閘極接收抑制準位Vr，電晶體M7閘極接收一超額偏壓準位Ve，並且於輸出端產生一重置準位Vr，且重置準位Vr等於抑制準位Vq減去超額偏壓準位Ve。
電壓調整器626包括一運算放大器628，正輸入端接收重置準位Vr，負輸入端產生調整電壓Vreg；電晶體M2閘極連接至運算放大器626的輸出端，源極端接收另一供應電壓VDD，汲極端與運算放大器628負輸入端之間連接電阻R2；電阻R1連接於運算放大器628負輸入端與接地電壓Gnd之間。因此，電壓調整器626可增強其輸出驅動能力，使得負載602的第二端能快速穩定且維持於重置準位Vr。
再者，電晶體M2汲極可產生臨限電壓Vth1至抑制重置電路606，其中，Vth1=Vreg(1+R2/R1)。換言之，調整電阻R2的電阻值可以調整抑制重置電路606中控制信號Ctrl、取樣與維持控制信號SH、以及電晶體M3的動作時間。
請參照第16圖，其所繪示為本揭露單光子雪崩光電二極體SPAD的超額偏壓控制方法。其中，單光子雪崩光電二極體SPAD的第一端連接至一電源供應器，以接收一供應電壓Vop；單光子雪崩光電二極體SPAD的第二端可產生一輸出電壓訊號；以及一負載的一第一端連接至單光子雪崩光電二極體SPAD的第二端，負載的一第二端接收一重置準位。其控制方法為：首先，控制單光子雪崩光電二極體SPAD操作在蓋格模式(步驟S810)；接著，當該單光子雪崩光電二極體產生一光電流時，監測該輸出電壓訊號的一電壓變化，並根據該電壓變化與一超額偏壓準位來產生一重置準位(步驟S820)；接著，將重置準位提供至負載的第二端(步驟S830)。
在上述的步驟S820中，係監測該單光子雪崩光電二極體的第二端上該輸出電壓訊號的一電壓變化，並獲得一極值電壓準位並定義為抑制準位。之後，將抑制準位疊加超額偏壓準位後形成重置準位。
或者，在上述的步驟S820中，係先將該輸出電壓訊號疊加一超額偏壓準位後形成一第一電壓訊號，接著再監測該第一電壓訊號的電壓變化，並獲得一極值電壓準位，並定義為重置準位。
又或者，在上述的步驟S820中，將一超額偏壓切分成數個小份的超額偏壓值，並將電壓訊號輸出端的電壓訊號疊加於一超額偏壓之上之操作，切分成數次累加操作，且可彈性處理訊號疊加與極值電壓準位獲得之擺放順序。
根據以上的說明，本揭露實施例在於不論電源供應器提供的供應電壓Vop以及單光子雪崩光電二極體SPAD的崩潰電壓準位Vbd如何改變，當單光子雪崩光電二極體SPAD不動作(off)時，單光子雪崩光電二極體SPAD的跨壓可準確的控制在為崩潰電壓準位Vbd加上超額偏壓準位Ve。
再者，由於本揭露可以在單光子雪崩光電二極體SPAD提供準確的超額偏壓準位Ve。因此，本揭露更可以改變電位移轉器所接收的超額偏壓準位Ve，進一步達成具備高動態範圍的控制系統。
綜上所述，雖然本揭露已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本揭露。本揭露所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本揭露之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本揭露之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
350‧‧‧電源供應器
352‧‧‧負載
360‧‧‧控制電路
362‧‧‧取樣與維持電路
364‧‧‧電位移轉器

Claims (12)

  1. 一種單光子雪崩光電二極體的超額偏壓控制系統，包括：一電源供應器，產生一供應電壓；一單光子雪崩光電二極體，具有一第一端接收該供應電壓，具有一第二端產生一輸出電壓訊號；一控制電路，連接於該單光子雪崩光電二極體的該第二端，其中，該控制電路根據該輸出電壓訊號的變化以及一超額偏壓準位來獲得一重置準位；以及一負載，具有一第一端連接至該單光子雪崩光電二極體的該第二端，具有一第二端連接至該控制電路用以接收該重置準位。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之超額偏壓控制系統，其中該單光子雪崩光電二極體的一陰極端接收該供應電壓，該單光子雪崩光電二極體的一陽極端產生該輸出電壓訊號。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之超額偏壓控制系統，其中該控制電路包括：一取樣與維持電路，根據該輸出電壓訊號的變化來獲得一極值電壓準位並為一抑制準位；以及一電位移轉器，接收該超額偏壓準位並將該抑制準位減去該超額偏壓準位而成為該重置準位。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之超額偏壓控制系統，其中該控制電路包括：一電位移轉器，接收該輸出電壓訊號與該超額偏壓準位，並將該輸出電壓訊號減去該超額偏壓準位而成為一第一電壓訊號；以及一取樣與維持電路，根據該第一電壓訊號的變化來獲得一極值電壓準位並為該重置準位。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之超額偏壓控制系統，其中該單光子雪崩光電二極體的一陽極端接收該供應電壓，該單光子雪崩光電二極體的一陰極端產生該輸出電壓訊號。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之超額偏壓控制系統，其中該控制電路包括：一取樣與維持電路，根據該輸出電壓訊號的變化來獲得一極值電壓準位並為一抑制準位；以及一電位移轉器，接收該超額偏壓準位並將該抑制準位加上該超額偏壓準位而成為該重置準位。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之超額偏壓控制系統，其中該控制電路包括：一電位移轉器，接收該輸出電壓訊號與該超額偏壓準位，並將該輸出電壓訊號加上該超額偏壓準位而成為一第一電壓訊號；以及一取樣與維持電路，根據該第一電壓訊號的變化來獲得一極值電壓準位並為該重置準位。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之超額偏壓控制系統，更包括一抑制重置電路，接收該輸出電壓訊號，並且於該輸出電壓訊號到達一臨限值時，控制該負載的該第一端與該第二端之間為斷開狀態。
  9. 如申請專利範圍第3、4、6、7或8項所述之超額偏壓控制系統，其中該控制電路包括一電壓調整器接收該重置準位，並增強該控制電路的輸出驅動能力，使得該負載的該第二端快速穩定於該重置準位。
  10. 一種單光子雪崩光電二極體的超額偏壓控制方法，包括 下列步驟：控制一單光子雪崩光電二極體操作在一蓋格模式，其中該單光子雪崩光電二極體的一第一端連接至一電源供應器，該單光子雪崩光電二極體的一第二端產生一輸出電壓訊號，一負載的一第一端連接至該單光子雪崩光電二極體的該第二端，該負載的一第二端接收一重置準位；當該單光子雪崩光電二極體產生一光電流時，監測該輸出電壓訊號的一電壓變化，並根據該電壓變化與一超額偏壓準位來產生一重置準位；以及將該重置準位提供至該負載的第二端。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之超額偏壓控制方法，更包括下列步驟：監測該單光子雪崩光電二極體產生的該輸出電壓訊號之該電壓變化，並獲得一極值電壓準位定義為一抑制準位；以及將該抑制準位疊加該超額偏壓準位後形成該重置準位。
  12. 如申請專利範圍第10項所述之超額偏壓控制方法，更包括下列步驟：將該單光子雪崩光電二極體的該輸出電壓訊號疊加該超額偏壓準位後形成一第一電壓訊號；以及監測該第一電壓訊號的電壓變化，並獲得一極值電壓準位並定義為該重置準位。
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