[实用新型]一种用于单光子雪崩二极管探测器的淬灭复位电路

说明书

技术领域

本实用新型针对单光子雪崩光电二极管探测器提出了一种可靠性高的淬灭复位电路和方法，属于单光子探测技术领域。

背景技术

SPAD(SinglePhotonAvalanche Diode)即单光子雪崩光电二极管。在光电探测领域中，传统意义上的光电倍增管(PMT)已经不能满足于高速弱光条件下的探测，传统成像技术在成像速度和像素灵敏度方面受到了一定的限制，于是开始出现固态光电倍增管，即单光子雪崩二极管探测器。近年来，利用现在的标准CMOS工艺制造出高密度、高集成度的SPAD阵列探测器成为这种单光子雪崩二极管探测器的发展趋势。

一个SPAD像素单元包含两个电路，一个是淬灭复位电路，另一个是计数电路。当SPAD被淬灭后，其两端的偏置电压需要恢复到初始高偏压，等待下一次光子的到来，恢复SPAD两端偏压的过程称为复位。在传统的淬灭复位电路中，由于仅仅采用普通的反相器来感测雪崩电流，因此在复位回路中，很容易出现这样的情况：即在雪崩二极管两端的偏置电压下降到雪崩电压以下时，就被复位管将SPAD两端的偏压拉回到初始偏压，导致SPAD探测器并没有完全淬灭。如果延时电路的延迟时间没有设计的足够长，更容易产生这样的结果。因此，在SPAD的淬灭复位电路中，需要提高淬灭过程的稳定性。

实用新型内容

针对传统的主动淬灭电路的淬灭过程容易失败的问题，本实用新型提出了一种可靠性高的淬灭复位电路，

具体的技术方案是一种用于单光子雪崩二极管探测器的淬灭复位电路，该复位电路包括以下3个部分：

(1)淬灭回路，由5个MOS管组成，分别是PMOS管MP9、MP13，NMOS管MN10、MN11、MN15，MN10为MOS二极管接法，即栅极与漏极接在一起，MP13和MN15的栅极接在一起，并直接连接到SPAD的阳极，即a节点，构成一个反相器，直接感测雪崩电流，其输出接MP9和MN11的栅极，当a节点为低电平时，反相器的输出m节点电位为高电平，PMOS管MP9断开，MN11导通，从而将a节点保持在低电平；当a节点为高电平时，m节点电位为低电平，PMOS管MP9导通，NMOS管MN11断开，从而将a节点保持在高电平，这5个MOS管构成了一个对a节点电压变化的正反馈电路。

(2)复位回路，由17个MOS管组成，其中包括一个施密特触发器，由PMOS管MP10、MP11、MP12，NMOS管MN12、MN13、MN14组成、一个延时电路，由PMOS管MP0、MP1、MP2、MP3、MP4，NMOS管MN0、MN1、MN2、MN3、MN4组成、一个复位管NMOS管MN9，施密特触发器的输入为SPAD探测器的阳极，直接感测雪崩电流的变化，施密特触发器的输出，即p节点，直接连接延时电路的输入，施密特触发器的输出电平的变化传递给延时电路，延时电路由反相器组成，信号经过延时电路传递给复位管NMOS管MN9的栅极，当a节点电位为高电平时，p节点电位通过施密特触发器变为低电平，reset节点电位经过延时电路变为高电平，于是将a节点电位拉低，进行复位操作；当a节点电位为低电平时，p节点电位通过施密特触发器变为高电平，reset节点电位经过延时电路变为低电平，复位管MN9断开，此时a节点电位保持为低电平。

(3)雪崩信号输出部分，由8个MOS管组成，其中包括一个或非门，由PMOS管MP5、MP6，NMOS管MN5、MN6组成、两个反相器，由PMOS管MP7、MP8，NMOS管MN7、MN8组成，或非门的两个输入分别为上述反相器延时电路的输入，即p节点和输出，即reset节点，这两个节点的信号经过或非门的处理就得到一个脉宽为延时电路时间差的一个脉冲信号，其比单独的p节点或reset节点的信号更窄，窄脉冲即q节点的信号再经过一级反相器的处理转化为r节点信号，再经过一级反相器就得到最终输出即out节点。

上述复位回路中的反相器可以是5、7、9级。

本实用新型的有益效果：

1.本实用新型的淬灭复位电路可靠性高：采用具有高阈值电平的施密特触发器，确保了SPAD探测器产生的雪崩电流被充分淬灭之后才进行复位操作。

2.本实用新型电路产生的雪崩脉冲波形质量高：通过一个或非门将雪崩信号变成窄脉冲，之后两级反相器将这窄脉冲整形之后作为最终输出雪崩脉冲，使得输出脉冲更加陡直，易于计数电路的处理。

附图说明

图1为本实用新型淬灭电路的电路图。

图2为本实用新型淬灭电路的仿真时间为5μs的结果图。