[發明專利]應用于陣列型單光子雪崩二極管的緊湊型檢測淬滅電路

有效

• 申請號: 201610901963.8
• 申請日: 2016-10-17
• 公開（公告）號: CN106338339B
• 公開（公告）日: 2017-11-17
• 發明（設計）人: 鄭麗霞;胡歡;翁子清;姚群;吳金;孫偉鋒
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G01J1/44
• 分類號: G01J1/44
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙)32249
• 代理人: 楊曉玲

1.一種應用于陣列型單光子雪崩二極管的緊湊型檢測淬滅電路，其特征在于：包括第一PMOS管M1、第二NMOS管M2、第三PMOS管M3、第四NMOS管M4、第五PMOS管M5、第一反相器I₁和單穩態電路，單穩態電路用于產生復位信號REC；第一PMOS管M1的柵極接外部輸入的門控信號EN，源極接電源VDD，漏極接SPAD陽極；第二NMOS管M2的柵極接復位信號REC，源極接地GND，漏極接SPAD陽極；第三PMOS管M3的柵極接第五PMOS管M5的漏極，源極接電源VDD，漏極接SPAD陽極；第四NMOS管M4的柵極接SPAD陽極，源極接地GND，漏極接第三PMOS管M3的柵極；第五PMOS管M5的柵極接復位信號REC的反信號，源極接電源VDD，漏極接第三PMOS管M3的柵極；單穩態電路的輸入端接外部輸入的門控信號EN；第一反相器I₁的輸入端接第三PMOS管M3的柵極，輸出端作為整個緊湊型檢測淬滅電路的輸出端；所述SPAD為單光子雪崩光電二極管；

所述第一PMOS管M1構成門控電路，用于接收外部輸入的門控信號EN，通過外部輸入的門控信號EN控制第一PMOS管M1導通或關斷；所述第三PMOS管M3構成主動淬滅電路，用于控制SPAD陽極的電位，當第三PMOS管M3導通時將SPAD陽極的電位迅速上拉至高電平從而加速淬滅過程，減少流過SPAD的雪崩電荷；所述第二NMOS管M2作為復位管，第二NMOS管M2和單穩態電路一起構成復位電路，外部輸入的門控信號EN作為單穩態電路的輸入信號，單穩態電路的輸出信號用于控制復位管導通或關斷，當復位管導通而門控電路關斷時，SPAD陽極的電位下拉至零并處于待檢測狀態；

所述第五PMOS管M5作為預充電管，第四NMOS管M4作為單管比較器，預充電管、單管比較器、第一反相器I₁和SPAD的結電容C_S一起構成快速檢測電路，用于感應、檢測SPAD產生的雪崩電流信號；該快速檢測電路僅利用SPAD的結電容C_S對SPAD產生的雪崩電流信號進行I-Q-V積分變換，將雪崩電流信號轉換為電壓信號，單管比較器迅速檢測SPAD陽極的電位并輸出脈沖信號，該脈沖信號通過第一反相器I₁進行整形并增加驅動能力；

該緊湊型檢測淬滅電路的工作過程為：

①在穩定的關斷狀態下，即外部輸入的門控信號EN的高電平到來前，第二NMOS管M2關斷，第一PMOS管M1導通，將IN點的電位上拉到V_DD，SPAD處于關斷狀態，第四NMOS管M4導通，第三PMOS管M3導通，以維持IN點的電位為V_DD，最終OUT輸出為高電平；

②當外部輸入的門控信號EN上升沿到來，門控電路開啟，同時復位信號REC到來，開始復位過程，此時第二NMOS管M2導通，第一PMOS管M1關斷，第五PMOS管M5導通，第三PMOS管M3關斷，將IN點的電位復位至GND，OUT輸出為低電平；

③IN點復位結束時，復位信號REC置0，進入檢測模式；此時當SPAD檢測到光子就會產生雪崩電流，對IN點的寄生電容進行充電，IN點的電位上升到第四NMOS管M4的開啟電壓，第四NMOS管M4導通，第三PMOS管M3的柵極電壓下降，第三PMOS管M3導通并開始主動淬滅，進一步加快IN點的電位上升至V_DD；同時，當IN點的電位上升至反相器I₁的檢測閾值時，輸出OUT發生翻轉，完成檢測；此后，電路會一直處于關斷狀態，直至外部輸入的門控信號EN和復位REC信號再次到來。