[發明專利]一種用于單光子雪崩二極管探測器的淬滅復位電路

有效

• 申請號: 201611127824.0
• 申請日: 2016-12-09
• 公開（公告）號: CN106712752B
• 公開（公告）日: 2023-09-26
• 發明（設計）人: 徐躍;李斌;羅瑞明;李鼎;趙庭晨
• 申請（專利權）人: 南京郵電大學
• 主分類號: H03K17/22
• 分類號: H03K17/22;H03K17/78;H03K5/01
• 代理公司: 南京知識律師事務所 32207
• 代理人: 李湘群

本發明公開了一種用于單光子雪崩二極管探測器的淬滅復位電路，復位電路包括三部分：淬滅回路，由5個MOS管組成，這5個MOS管構成了一個對a節點電壓變化的正反饋電路；復位回路，由17個MOS管組成；雪崩信號輸出部分，由8個MOS管組成。本發明的優點是淬滅復位電路可靠性高，由于采用具有高閾值電平的施密特觸發器，確保了SPAD探測器產生的雪崩電流被充分淬滅之后才進行復位操作。而且，本發明電路產生的雪崩脈沖波形質量較高，通過一個或非門將雪崩信號變成窄脈沖，之后兩級反相器將這窄脈沖整形之后作為最終輸出雪崩脈沖，使得輸出脈沖更加陡直，易于計數電路的處理。

技術領域

本發明針對單光子雪崩光電二極管探測器提出了一種可靠性高的淬滅復位電路和方法，屬于單光子探測技術領域。

背景技術

SPAD(SinglePhotonAvalanche?Diode)即單光子雪崩光電二極管。在光電探測領域中，傳統意義上的光電倍增管(PMT)已經不能滿足于高速弱光條件下的探測，傳統成像技術在成像速度和像素靈敏度方面受到了一定的限制，于是開始出現固態光電倍增管，即單光子雪崩二極管探測器。近年來，利用現在的標準CMOS工藝制造出高密度、高集成度的SPAD陣列探測器成為這種單光子雪崩二極管探測器的發展趨勢。

一個SPAD像素單元包含兩個電路，一個是淬滅復位電路，另一個是計數電路。當SPAD被淬滅后，其兩端的偏置電壓需要恢復到初始高偏壓，等待下一次光子的到來，恢復SPAD兩端偏壓的過程稱為復位。在傳統的淬滅復位電路中，由于僅僅采用普通的反相器來感測雪崩電流，因此在復位回路中，很容易出現這樣的情況：即在雪崩二極管兩端的偏置電壓下降到雪崩電壓以下時，就被復位管將SPAD兩端的偏壓拉回到初始偏壓，導致SPAD探測器并沒有完全淬滅。如果延時電路的延遲時間沒有設計的足夠長，更容易產生這樣的結果。因此，在SPAD的淬滅復位電路中，需要提高淬滅過程的穩定性。

發明內容

針對傳統的主動淬滅電路的淬滅過程容易失敗的問題，本發明提出了一種可靠性高的淬滅復位電路，

具體的技術方案是一種用于單光子雪崩二極管探測器的淬滅復位電路，該復位電路包括以下3個部分：

(1)淬滅回路，由5個MOS管組成，分別是PMOS管MP9、MP13，NMOS管MN10、MN11、MN15，MN10為MOS二極管接法，即柵極與漏極接在一起，MP13和MN15的柵極接在一起，并直接連接到SPAD的陽極，即a節點，構成一個反相器，直接感測雪崩電流，其輸出接MP9和MN11的柵極，當a節點為低電平時，反相器的輸出m節點電位為高電平，PMOS管MP9斷開，MN11導通，從而將a節點保持在低電平；當a節點為高電平時，m節點電位為低電平，PMOS管MP9導通，NMOS管MN11斷開，從而將a節點保持在高電平，這5個MOS管構成了一個對a節點電壓變化的正反饋電路。

(2)復位回路，由17個MOS管組成，其中包括一個施密特觸發器，由PMOS管MP10、MP11、MP12，NMOS管MN12、MN13、MN14組成、一個延時電路，由PMOS管MP0、MP1、MP2、MP3、MP4，NMOS管MN0、MN1、MN2、MN3、MN4組成、一個復位管NMOS管MN9，施密特觸發器的輸入為SPAD探測器的陽極，直接感測雪崩電流的變化，施密特觸發器的輸出，即p節點，直接連接延時電路的輸入，施密特觸發器的輸出電平的變化傳遞給延時電路，延時電路由反相器組成，信號經過延時電路傳遞給復位管NMOS管MN9的柵極，當a節點電位為高電平時，p節點電位通過施密特觸發器變為低電平，reset節點電位經過延時電路變為高電平，于是將a節點電位拉低，進行復位操作；當a節點電位為低電平時，p節點電位通過施密特觸發器變為高電平，reset節點電位經過延時電路變為低電平，復位管MN9斷開，此時a節點電位保持為低電平。