[发明专利]确定单光子雪崩二极管的过偏置电压的电平的电路装置

说明书

一种用于确定单光子雪崩二极管的过偏置电压的电平的电路装置(1a、1b)，其包括评估电路(300)，该评估电路被配置为根据单光子雪崩二极管的输出信号(Van)的信号进程来确定单光子雪崩二极管(100)的过偏置电压(Vex)的电平。在电路装置(1a、1b)的第一操作周期中，当光子撞击单光子雪崩二极管(100)的感光区域时，在输出端子(40)上产生跳变到过偏置电压(Vex)电平的电压。在随后的第二操作周期中，单光子雪崩二极管的输出端子(40)耦合到电源端子(10)。

技术领域

本公开涉及一种用于确定单光子雪崩二极管的过偏置电压的电平的电路装置。

背景技术

单光子雪崩二极管(SPAD)是一种高度敏感的光学器件，主要用于检测光子撞击雪崩二极管的光学传感器的时刻。当以高于击穿电压VBD的偏置电压VHV对SPAD进行反向偏置时，在光子撞击SPAD时产生电子空穴对。由于高电场，SPAD会产生非常短的高峰值电流脉冲。

击穿电压是SPAD的固有参数。SPAD的性能取决于偏置电压VHV比击穿电压VBD高多少。SPAD的偏置电压VHV能够表示为VHV＝VBD-Vex，其中Vex是过偏置电压。由于击穿电压VBD随温度变化，因此，如果假设(反向)偏置电压VHV保持恒定，则过偏置电压Vex也将响应于温度变化而变化。

另一方面，如果过偏置电压Vex改变，则SPAD的物理参数，例如SPAD的DCR(暗计数率)或PDP(光子检测概率)也将改变。因此，如果偏置电压VHV不能响应于温度变化而适应，则击穿电压VBD和过偏置电压Vex以及SPAD的物理参数也将发生变化，当SPAD用于距离测量的应用(例如飞行时间应用)中时，会导致系统性定时抖动。

希望提供一种用于确定单光子雪崩二极管的过偏置电压的电平的电路装置，以调节单光子雪崩二极管的偏置电压，从而使单光子雪崩二极管的物理参数几乎不受环境影响，例如温度变化。

发明内容

在权利要求1中指定了一种用于在短时间内但是以高精度确定单光子雪崩二极管的过偏置电压的电平的电路装置的实施例。

根据用于确定单光子雪崩二极管的过偏置电压的电平的电路装置的实施例，电路装置包括：电源端子，用于施加电源电位；参考端子，用于施加参考电位；以及偏置端子，用于施加偏置电位以偏置单光子雪崩二极管；以及输出端子，用于提供单光子雪崩二极管的输出信号。单光子雪崩二极管连接在偏置端子与输出端子之间。

电路装置包括可控开关电路和评估电路，以评估输出信号。可控开关电路被配置为在电路装置的第一操作周期中将输出端子耦合至参考端子，使得当光子撞击单光子雪崩二极管的感光区域时，在输出端子处发生到过偏置电压的电平的电压跳变。可控开关电路还被配置为在随后的第二操作周期中将输出端子耦合至电源端子。评估电路被配置为根据输出信号的信号进程确定过偏置电压的电平。

所提出的解决方案使得能够在第一次检测到光子事件的情况下找到过偏置电压的电流电平。为此目的，输出端子耦合到参考端子，以在电路装置的第一操作周期期间施加参考电位，例如接地电位。如果光子撞击单光子雪崩二极管的光敏区域，则输出端子处的输出信号显示到待确定的过偏置电压的电平的电压跳变/峰值。

在输出端子处发生电压跳变/峰值之后，可控开关电路在第二操作周期中操作电路装置，其中输出端子耦合到偏置端子以施加偏置电位，使得输出端子被充电。在输出端子的充电期间，单光子雪崩二极管保持淬灭，使得SPAD不会传导任何电流，并且在充电过程中也不会有其他光子能够触发SPAD。因此，在输出端子处的输出信号显示出从待确定的过偏置电压的电平到电源电位的电平的线性增加的斜率。

在输出端子处发生电压跳变/峰值之后，输出信号的线性增加的电压斜率允许以简单但精确的方式确定过偏置电压的电平。特别地，根据在出现到过偏置电压的电平的电压跳变/峰值与输出信号在输出端子处超过第一阈值之间的第一时间，并且根据在输出信号超过第一阈值与输出信号超过第二阈值之间的第二时间来确定过偏置电压的电平。