專利名稱：一種集成門控主動式淬火恢復(fù)電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及單光子探測技術(shù)領(lǐng)域中的一種光子飛行時間測量的集成單光子高速聞靈敏檢測電路。
背景技術(shù)：
單光子檢測是近年來發(fā)展起來的一項新興的探測技術(shù)。它可以應(yīng)用于生物芯片檢測、醫(yī)療診斷、非破壞性物質(zhì)分析、天文觀測、國防軍事、光譜測量、量子電子學(xué)等領(lǐng)域，并在其中扮演著重要角色。單光子探測器在一些新興高科技領(lǐng)域內(nèi)的重要工程價值，已得到越來越充分的體現(xiàn)?；诎雽?dǎo)體雪崩光電二極管(APD)的單光子探測器具有量子效率高、功耗低、全固態(tài)、體積小、工作電壓低、磁場不敏感等優(yōu)點，是一種目前應(yīng)用最廣泛的單光子探測器件。限于暗(背景)噪聲的影響，通常恒定工作在偏置電壓低于反向擊穿電壓下，即所謂線性模式的雪崩光電二極管，其僅有較小雪崩增益，不具有單光子探測能力。而工作在偏置電壓高于反向擊穿電壓的過偏壓下，即所謂蓋革模式的雪崩光電二極管，過偏壓使其雪崩倍增區(qū)形成強電場，當(dāng)單個光子入射產(chǎn)生的載流子進(jìn)入雪崩倍增區(qū)時，會以一定的概率觸發(fā)雪崩倍增(增益>106)，使單光子電流在皮秒時間量級上升至較易檢測的大電流(毫安量級)，具有單光子探測性能。在這種工作模式下能實現(xiàn)單光子探測的雪崩光電二極管被稱為單光子雪崩二極管(SPAD)。因為半導(dǎo)體雪崩擊穿具有自持行為特性，當(dāng)SPAD長時間處于雪崩狀態(tài)時其工作性能和可靠性將會受到損害，所以需要采用一種良好控制SPAD偏置狀態(tài)的淬火恢復(fù)電路，在SPAD雪崩發(fā)生后能夠迅速地使雪崩電流淬滅并把SPAD恢復(fù)到等待探測狀態(tài)。依據(jù)應(yīng)用要求和SPAD特性的不同，淬火電路各有特點，常見的有四種:被動淬火電路、主動淬火電路、主被動混合式淬火電路、以及門控式淬火電路。圖1所示為門控式淬火電路結(jié)構(gòu)原理示意圖，其中Vb為SPAD的反向擊穿電壓，Vdc為直流偏壓略低于Vb，Vex為過偏壓。直流電壓Vdc通過電感連接到SPAD的陰極，SPAD的陽極通過檢測電阻Rs接地。門控信號通過電容耦合到SPAD的陰極，當(dāng)門控信號為低時，SPAD的偏置電壓略低于反向擊穿電壓，SPAD處于等待狀態(tài)；當(dāng)門控信號為高時，SPAD的偏置電壓高于反向擊穿電壓，SPAD處于待檢測狀態(tài)。在門控內(nèi)的SPAD待測狀態(tài)下，當(dāng)光子到達(dá)時且門控信號為高，SPAD吸收光子產(chǎn)生瞬態(tài)雪崩大電流并在檢測電阻上產(chǎn)生足夠的電壓脈沖供后級電壓檢測電路處理。脈沖結(jié)束后，門控信號為低，淬滅SPAD。圖1中門控淬火電路采用大電容Cl和電感耦合LI，不適合集成實現(xiàn)。除此以外，該門控淬火電路只能用于準(zhǔn)確知道光子到達(dá)時間的情況下，如果不知道光子到達(dá)的準(zhǔn)確時間，就不能控制淬滅時間，可能導(dǎo)致SPAD損壞。此外，門控淬火電路工作時，門控信號會通過SPAD的寄生電容耦合到SPAD的陽極干擾信號檢測。為了抑制干擾引起的誤計數(shù)，必須提高幅度檢測器的閾值。然而，提高檢測閾值將使光子到達(dá)到幅度檢測器檢測到電壓信號所用的延遲時間增大，從而顯著地降低了光子到達(dá)時間的檢測精度。圖2所示為主動淬火電路結(jié)構(gòu)示意圖，SPAD的陰極直接接入直流電壓Vpower，Vpower電壓值略大于SPAD反向擊穿電壓。SPAD的陽極通過一個較小的感應(yīng)電阻Rs接地。放大器的輸入端接到SPAD的陽極，輸出端接脈沖發(fā)生器，脈沖發(fā)生器的輸出端接SPAD的陽極，組成控制環(huán)路。當(dāng)光子到達(dá)后，SPAD吸收光子產(chǎn)生大的雪崩電流，經(jīng)檢測電阻轉(zhuǎn)化為電壓，并經(jīng)放大器放大使脈沖發(fā)生器產(chǎn)生高電平脈沖輸出。同時高電平脈沖反饋回SPAD的陽極，使SPAD的反偏電壓低于反向擊穿電壓以淬滅SPAD。與圖I門控淬火電路相比，圖2主動淬火電路可以有效地控制淬滅時間，保證SPAD可靠工作；另一方面，主動淬火電路的噪聲很小，幅度檢測器可以使用較低閾值，提高光子到達(dá)時間的檢測精度。但是，主動淬火電路長時間處于待檢測狀態(tài)，可能會損害SPAD，可靠性難以保證。而且，主動淬火電路的等待時間較短，會明顯提高SPAD的暗計數(shù)率和后脈沖概率?；谝陨戏治隹梢?，現(xiàn)有技術(shù)中的淬火恢復(fù)電路存在以下不足
(O噪聲大現(xiàn)有門控淬火恢復(fù)電路中，門控信號會通過探測器SPAD的寄生電容耦合到探測器的陽極，產(chǎn)生噪聲
(2)可靠性低現(xiàn)有主動淬火電路可以精確的控制探測器的淬滅時間，但是光子到達(dá)時間不明確，無法控制探測器的工作時間，若沒有光子到達(dá)，探測器會長時間處于工作狀態(tài)，探測器有擊穿危險，極易損毀探測器，而且主動淬火電路的關(guān)斷時間較短，誤計數(shù)概率很大。(3)精度低現(xiàn)有技術(shù)大都由分立器件組成，其寄生效應(yīng)嚴(yán)重，會極大影響的測量精度。(4)功耗與面積大現(xiàn)有的門控淬火恢復(fù)電路需要大電感和大電容等大功耗器件，同時這類器件面積很大無法應(yīng)用于像素陣列中。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是為了克服現(xiàn)有門控淬火電路的不足，提高檢測精度，提出一種集成門控主動式淬火恢復(fù)電路，綜合主動淬火電路和門控淬火電路的主要優(yōu)點，改進(jìn)兩種電路結(jié)構(gòu)存在的不足，使其可兼顧SPAD工作可靠性與檢測靈敏度的共同需求，能夠有效地控制等待時間，解決了減小后脈沖概率及光學(xué)串?dāng)_的問題。本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為
一種集成門控主動式淬火恢復(fù)電路，包括快速檢測電路、脈沖產(chǎn)生電路、像素控制電路、淬滅電路及復(fù)位電路，其中快速檢測電路將檢測到的單光子雪崩二極管SPAD陽極電流信號處理成脈沖信號，經(jīng)脈沖產(chǎn)生電路輸出至像素控制電路；所述像素控制電路由脈沖產(chǎn)生電路的輸出信號和外部輸入的門控信號控制，其中所述門控信號的優(yōu)先級高于脈沖產(chǎn)生電路的輸出信號；像素控制電路產(chǎn)生的控制信號分別輸出至復(fù)位電路、淬滅電路，所述復(fù)位電路、淬滅電路的輸出回饋至單光子雪崩二極管SPAD的陽極，控制單光子雪崩二極管SPAD的復(fù)位和淬滅。所述快速檢測電路包括檢測電阻和幅度檢測器，其中檢測電阻阻值小于等于100千歐姆，所述檢測電阻將單光子雪崩二極管SPAD陽極電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，經(jīng)幅度檢測器處理后輸出脈沖信號；所述幅度檢測器為高速比較器或反相器；所述快速檢測電路閾值電壓在O. 5V到IV之間，響應(yīng)時間在IOOps到Ins之間。
所述像素控制電路包括觸發(fā)器和邏輯門電路，外部門控信號分別作為觸發(fā)器和邏輯門的輸入信號。所述脈沖產(chǎn)生電路為單穩(wěn)態(tài)電路。相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具備的優(yōu)點和有益效果:
(I)通過像素控制電路隔離了門控信號和SPAD陽極的交流通路，減小了檢測噪聲。(2)門控模式與主動淬滅相結(jié)合可以精確的控制淬滅時間和等待時間，從而減小暗計數(shù)和后脈沖概率并提高SPAD的可靠性。(3)通過降低閾值電壓可以提高檢測效率，還可以有效地減小從光子到達(dá)到幅度檢測器檢測到電壓信號所用的時間，從而提高光子到達(dá)時間的檢測精度。(4)通過使用高速比較器，減小了被檢測信號的傳輸延遲，進(jìn)一步提高光子到達(dá)時間的檢測精度。(5)去除大電感和大電容等器件，減小電路面積，更容易應(yīng)用于陣列型集成單光子檢測電路中，具備面積緊湊和低功耗的特點。


圖1為背景技術(shù)的傳統(tǒng)門控淬火電路。圖2為背景技術(shù)的傳統(tǒng)主動淬火電路。圖3為本發(fā)明的集成門控主動式淬火恢復(fù)電路框圖。圖4為本發(fā)明的集成門控主動式淬火恢復(fù)電路圖。圖5為本發(fā)明的集成門控主動式淬火恢復(fù)電路的門控時序工作圖。圖6為本發(fā)明的集成門控主動式淬火恢復(fù)電路的仿真波形。圖7為本發(fā)明的單穩(wěn)態(tài)電路的電路圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。如圖3所示，本發(fā)明包括:快速檢測電路、脈沖產(chǎn)生電路、像素控制電路、淬滅及復(fù)位電路，SPAD的陰極接高壓偏置電源Vpower，快速檢測電路將檢測到的SPAD陽極電流信號處理成脈沖信號，經(jīng)脈沖產(chǎn)生電路輸出至像素控制電路，同時產(chǎn)生輸出信號STOP供下級電路應(yīng)用，所述像素控制電路由脈沖產(chǎn)生電路的輸出信號和門控信號EN控制，像素控制電路的輸出分別控制復(fù)位及淬滅電路，復(fù)位及淬滅電路的輸出回饋至SPAD的陽極，控制SPAD的復(fù)位和淬滅。本發(fā)明提出的集成門控主動式淬火恢復(fù)電路如圖4所示，快速檢測電路由檢測電阻和幅度檢測器組成，其閾值電壓一般在0.5V到IV之間，響應(yīng)時間一般在IOOps到Ins之間；檢測電阻用于將電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，可以根據(jù)實際應(yīng)用來調(diào)整其阻值，一般為小于等于100千歐姆，檢測電阻由電阻Rs和導(dǎo)通后的NMOS管匪組成，電阻Rs通過NMOS管匪接地；幅度檢測器由高速比較器或反相器組成，本實施例幅度檢測器由反相器INVl實現(xiàn)，反相器INVl的反轉(zhuǎn)電壓較低，響應(yīng)時間很短；脈沖產(chǎn)生電路的觸發(fā)方式與前級的幅度檢測器有關(guān)，前級的幅度檢測器為同相時，其為高電平觸發(fā)，前級的幅度檢測器為反相時，其為低電平觸發(fā)，本實施例脈沖產(chǎn)生電路由單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器實現(xiàn)，其輸入為下降沿觸發(fā)，輸出為低電平脈沖；像素控制電路由一個D觸發(fā)器和一個與門組成；SPAD的陰極接高壓偏置電源Vpower，其陽極分別接電阻Rs、反相器INVl的輸入端和PMOS管PM的漏極，反相器INVl輸出端接單穩(wěn)態(tài)電路，單穩(wěn)態(tài)電路輸出端與D觸發(fā)器的復(fù)位端相連，同時通過反相器INV2輸出STOP信號，D觸發(fā)器的D腳接高電平VDD，門控信號EN連接D觸發(fā)器的時鐘觸發(fā)腳，D觸發(fā)器的輸出與門控信號EN分別接與門的兩個輸入端，與門的輸出端分別接PMOS管PM的柵極和NMOS管NM的柵極，組成控制環(huán)路；PM0S管PM和NMOS管NM用來控制SPAD的復(fù)位與淬滅。本發(fā)明的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器選擇如圖7所示的單向下跳變沿觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)電路，由兩個與非門中間依次串接反相器、兩個D觸發(fā)器組成，第一與非門輸入一端連接單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)信號Trig，另一端與第二與非門的輸出信號連接，第一與非門的輸出依次通過反相器、兩個D觸發(fā)器連接第二與非門的一個輸入端，第二與非門的另一個輸入端連接第一與非門的輸出，第一與非門的兩個輸入信號在穩(wěn)態(tài)下始終保持反相位關(guān)系，因此穩(wěn)態(tài)時輸出始終保持為高電平。當(dāng)輸入Trig點電壓由I跳變到O時，由于延時單元D觸發(fā)器D1、D觸發(fā)器D2的存在，第二與非門輸出會短暫的保持低電平，即出現(xiàn)單穩(wěn)態(tài)，該單穩(wěn)態(tài)電路采用與非門而不是異或門，原因在于選擇性地進(jìn)入低電平的暫穩(wěn)態(tài)。從AQC電路應(yīng)用需求看，只需單方向的下跳變沿觸發(fā)進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)，故此選擇與非門控制。所述應(yīng)用實例的門控設(shè)置分析如圖5所示，圖中的時間并未嚴(yán)格按比例給出，只是用以說明各時序關(guān)系:門控信號En是周期為IkHz的窄脈沖，即1000 μ S，窄脈沖寬度為IOns-1O μ s 可調(diào)節(jié)，
I)、控制門控信號EN為低電平，使SPAD工作在低于雪崩擊穿點少許的反偏電壓下，SPAD為截止Off time狀態(tài)。處于該狀態(tài)SPAD即使有光子入射也不會產(chǎn)生mA量級的雪崩電流。此階段可用于后續(xù)電路對淬火恢復(fù)電路輸出結(jié)果的處理。2)、截止?fàn)顟B(tài)完成，門控信號接收上升沿信號，啟動SPAD工作，工作過程如下:
(1)、首先，SPAD即刻轉(zhuǎn)換為工作于雪崩擊穿點加過偏壓的反偏電壓下，進(jìn)入導(dǎo)通ontime狀態(tài)，即待測狀態(tài)，淬火恢復(fù)電路開始計數(shù)；
(2)、外部主控系統(tǒng)與此同時或延遲確定時間啟動激光光子發(fā)射，后續(xù)電路工作并記下光子的發(fā)射時間；
(3)、減小門控窄脈沖寬度，設(shè)置門控脈沖。(4)、光子到達(dá)后，SPAD雪崩擊穿，電流迅速上升至mA量級，此時，淬火恢復(fù)電路輸出STOP信號給后續(xù)電路，后續(xù)電路記下光子到達(dá)時間并計算中間時間。本發(fā)明電路中淬火與門控的作用:
(I)、淬火作用
在門控結(jié)構(gòu)中，當(dāng)處于蓋革模式下的SPAD檢測到單光子信號后，電流在幾十皮秒的時間內(nèi)迅速由靜態(tài)下的nA量級上沖到mA量級，此延時遠(yuǎn)小于時間分辨率，對計時誤差影響可忽略。但此時如無淬火電路，雖然傳感觸發(fā)信號的產(chǎn)生仍然正常，SPAD電流仍長時間停留在峰值水平而影響可靠性，因此淬火電路的關(guān)鍵作用是將SPAD中的峰值大電流快速淬滅。SPAD工作在兩個反向偏置下，一個是近似截止的off狀態(tài)，另一個是高于擊穿電壓點對應(yīng)的待測狀態(tài)，兩者之間的反偏電壓相差為Vex，淬火電路的作用就是將雪崩偏置電壓下降Vex后進(jìn)入off狀態(tài)，SPAD電流由感應(yīng)的峰值電流下降到截止反偏電流nA量級。
(2)、門控影響
SPAD工作的兩種偏置狀態(tài)，包括淬火后的電流狀態(tài)，與門控有關(guān)。當(dāng)采用門控狀態(tài)時，蓋革模式的較大電流偏置被限定在門控窄脈沖時間內(nèi)，因此需要與后續(xù)啟動計數(shù)時序同步(或相關(guān))，并且對門控脈沖寬度有最優(yōu)要求，其余時間為截止低電流偏置，并且當(dāng)檢測光子后的淬火控制最終進(jìn)入此截止模式，系統(tǒng)具有低功耗的特性；
結(jié)合圖4分析所述應(yīng)用實例的工作原理當(dāng)門控信號En的上升沿到來時，D觸發(fā)器觸發(fā)輸出為高，門控信號EN與D觸發(fā)器輸出邏輯“與”后輸出為高，NMOS管NM導(dǎo)通，PMOS管PM關(guān)斷，SPAD復(fù)位。SPAD復(fù)位后，淬火電路工作在待檢測狀態(tài)。當(dāng)SPAD接收到光子時，電阻Rs上的電壓上升，產(chǎn)生一個電壓脈沖。反相器INVl會檢測到這個脈沖，并輸出低電平脈沖給單穩(wěn)態(tài)電路，然后，單穩(wěn)態(tài)電路觸發(fā)輸出低電平脈沖，一方面經(jīng)反相器產(chǎn)生輸出信號，另一方面使D觸發(fā)器復(fù)位，輸出置低。接著，與門置低，PMOS管PM導(dǎo)通，NMOS管匪關(guān)斷，淬滅SPAD。當(dāng)SPAD在門控信號En有效后未接收到光子時，輸出在門控信號En下降沿到來后置高。圖6為所述應(yīng)用實例通過Cadence的仿真波形,第一條曲線為門控信號En,它在一段時間內(nèi)有效，根據(jù)具體應(yīng)用可設(shè)在IOns到10μ s之間。最后一條曲線Vsen為SPAD陽極電壓波形，其內(nèi)直線代表檢測閾值，在門控信號En處于上升沿和下降沿時，SPAD陽極電壓Vsen上沒有產(chǎn)生噪聲信號，消除了饋通噪聲；當(dāng)門控信號En處于上升沿時，第二條波形曲線與門輸出電壓Vcon同樣處于上升沿，使淬火電路復(fù)位，SPAD處于待檢測狀態(tài)，此時SPAD陽極電壓Vsen由高電平轉(zhuǎn)為低電平。當(dāng)門控信號En有效的某一時刻光子到來時，SPAD陽極電壓Vsen信號開始上升一直到檢測閾值，此時后級反相器開始工作，其輸出由高置低。由第三、第四和第五條波形曲線所示，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)信號Trig有效，單穩(wěn)態(tài)電路觸發(fā)，單穩(wěn)態(tài)電路輸出信號OS輸出低電平脈沖,后經(jīng)反相器輸出高電平脈沖信號STOP。與此同時,與門輸出電壓Vcon置低，NMOS管NM關(guān)斷，PMOS管PM導(dǎo)通，淬滅開始；SPAD陽極電壓Vsen迅速上升到高電平，淬滅結(jié)束，SPAD進(jìn)入等待狀態(tài)。所述應(yīng)用實例中的D觸發(fā)器為帶RB端復(fù)位的上升沿觸發(fā)D觸發(fā)器，當(dāng)CLK輸入上升沿且RB輸入為高時，D觸發(fā)器輸出端Q等于輸入端D，當(dāng)RB輸入為低時，D觸發(fā)器輸出端Q固定為低。此外，盡管本說明書披露了相應(yīng)的方法或裝置，但是應(yīng)該指出這些僅僅是說明性的而不應(yīng)被認(rèn)為是限制性的，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)本發(fā)明的裝置和方法進(jìn)行等同代換等，因此，本發(fā)明覆蓋包含在所附權(quán)利要求字面上或根據(jù)等同原則范圍內(nèi)的所有方法或裝置。
權(quán)利要求
1.一種集成門控主動式淬火恢復(fù)電路，其特征在于包括快速檢測電路、脈沖產(chǎn)生電路、像素控制電路、淬滅電路及復(fù)位電路，其中快速檢測電路將檢測到的單光子雪崩二極管SPAD陽極電流信號處理成脈沖信號，經(jīng)脈沖產(chǎn)生電路輸出至像素控制電路；所述像素控制電路由脈沖產(chǎn)生電路的輸出信號和外部輸入的門控信號控制，其中所述門控信號的優(yōu)先級高于脈沖產(chǎn)生電路的輸出信號；像素控制電路產(chǎn)生的控制信號分別輸出至復(fù)位電路、淬滅電路，所述復(fù)位電路、淬滅電路的輸出回饋至單光子雪崩二極管SPAD的陽極，控制單光子雪崩二極管SPAD的復(fù)位和淬滅。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種集成門控主動式淬火恢復(fù)電路，其特征在于所述快速檢測電路包括檢測電阻和幅度檢測器，其中檢測電阻阻值小于等于100千歐姆，所述檢測電阻將單光子雪崩二極管SPAD陽極電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，經(jīng)幅度檢測器處理后輸出脈沖信號；所述幅度檢測器為高速比較器或反相器。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種集成門控主動式淬火恢復(fù)電路，其特征在于所述快速檢測電路閾值電壓在O. 5V到IV之間，響應(yīng)時間在IOOps到Ins之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種集成門控主動式淬火恢復(fù)電路，其特征在于所述像素控制電路包括觸發(fā)器和邏輯門電路，外部門控信號分別作為觸發(fā)器和邏輯門的輸入信號。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種集成門控主動式淬火恢復(fù)電路，其特征在于所述脈沖產(chǎn)生電路為單穩(wěn)態(tài)電路。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種集成門控式淬火恢復(fù)電路，包括快速檢測電路、脈沖產(chǎn)生電路、像素控制電路、淬滅及復(fù)位電路，其中快速檢測電路將檢測到的SPAD(單光子雪崩二極管)陽極電流信號處理成脈沖信號，經(jīng)脈沖產(chǎn)生電路輸出，像素控制電路由脈沖產(chǎn)生電路的輸出信號和門控信號控制，像素控制電路的輸出分別控制復(fù)位及淬滅電路，復(fù)位及淬滅電路的輸出回饋至SPAD的陽極，控制SPAD的復(fù)位和淬滅，本發(fā)明采用門控式的控制方法可以有效地減小SPAD暗計數(shù)率；脈沖產(chǎn)生電路可控制淬滅時間；本發(fā)明還具有面積緊湊和低功耗的優(yōu)點。
文檔編號G01J11/00GK103148950SQ201310082638
公開日2013年6月12日 申請日期2013年3月15日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月15日
發(fā)明者蔣利群, 高新江, 孫力軍, 江永清 申請人:中國電子科技集團(tuán)公司第四十四研究所