一种应用于大规模spad集成阵列的淬灭电路
技术领域
1.本发明提供一种应用于大规模spad集成阵列的淬灭电路，该电路能够快速实现对单光子雪崩二极管雪崩现象的淬灭，限制电流，有效降低功耗。整体的淬灭电路架构简单，集成度高，与标准集成电路工艺完全兼容，可实现大规模成像探测阵列。
背景技术：
2.单光子雪崩二极管（spad）在产生雪崩效应后，如不进行遏制，二极管长时间处于大电流状态，容易烧毁器件，并且无法进行下一次探测。因此，需要额外的电路将这个大电流抑制下去，这就是淬灭电路的作用。
3.淬灭电路目前主要有被动淬灭电路、主动淬灭电路以及门控淬灭电路等几种模式。现有技术中，基于普通电阻设计的被动淬灭电路，存在着版图占用面积过大的问题；大部分主动淬灭电路以及门控淬灭电路的结构都比较复杂，也存在版图占用面积大的问题。
技术实现要素：
4.本发明提出的一种应用于大规模spad集成阵列的淬灭电路，用于单光子雪崩二极管雪崩现象的抑制和对雪崩电流的限流。如图1所示，其基本电路结构构成为：单光子雪崩二极管（spad）的阳极施加一个固定电压v
ap
，此固定电压比二极管雪崩击穿电压稍低。spad的阴极与一个pmosfet管pm2的源极相连。两个pmosfet管pm1和pm2组合一个共源共栅电流镜，分别有vb1和vb2进行电压偏置，均工作在饱和区，用于对spad在雪崩模式下进行限流，pm1的漏极接电压vdd。spad的阴极与一个反相器组连接，反相器组对脉冲信号进行调制输出，并作为整个电路的缓冲。
5.本发明所述的应用于大规模spad集成阵列的淬灭电路，相对于已有的各种电路技术，主要的有益效果是：（1）雪崩电流得到有效的限制，降低器件功耗；（2）电路结构简单，电路部分占用面积小，有利于提高整个探测器的占空比；（3）淬灭时间短，工作速度快；（4）便于探测器的大规模集成。
附图说明
6.现将参照以下附图具体详细的说明本发明的主题，并清楚地理解本发明的有关电路结构和工作模式以及其目的、特征和优势：图1是本发明的应用于大规模spad集成阵列的淬灭电路示意图。
具体实施方式
7.在以下的详细说明中，将结合附图及实施例对本发明的工作原理和工作过程进行全面的理解。
8.图1是本发明的应用于大规模spad集成阵列的淬灭电路的电路结构图，所述的淬灭电路的具体构成是：单光子雪崩二极管（spad）的阳极施加一个固定电压v
ap
，此固定电压
比二极管雪崩击穿电压稍低。spad的阴极与一个pmosfet管pm2的源极相连。两个pmosfet管pm1和pm2组合一个共源共栅电流镜，分别有vb1和vb2进行电压偏置，均工作在饱和区，对spad在雪崩模式下电流镜进行限流，确保整个电路的工作电流上限，pm1的漏极接电压vdd。spad的阴极与一个反相器组连接，反相器组对脉冲信号进行调制并输出，并作为整个电路的缓冲。
9.所述的应用于大规模spad集成阵列的淬灭电路的工作原理和工作过程如下：电路开始工作时，spad的阳极施加一个负电压v
ap
，此电压比二极管击穿电压低，pm1的漏极连接一个正电压源vdd。在没有光子信号入射时，pm1和pm2 mos管上压降为零，spad阴极电压v
x
等于vdd，此时spad两端电压差为：v
spad
=vdd－v
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(1)此电压比spad的雪崩击穿电压高，此时spad处于盖革工作模式。当有光子入射时，spad发生雪崩效应，此时pm1和pm2管上有电流流过，从而产生压降，spad阴极电压v
x
将小于vdd，从而spad两端电压差下降至击穿电压以下，雪崩现象得到抑制，电路电流减小为零，pm1和pm2管压降为零，spad阴极电压v
x
恢复至vdd，整个电路复位至初始状态，等待下一次探测。
10.整个过程中的电流限制在pm1和pm2组成的共源共栅电流镜之内，电流镜电流由vb1和vb2限制，通过设置vb1和vb2电压大小，可以有效控制整个电路的工作电流，从而达到最优工作状态，减小电路功耗。
技术特征：
1.一种应用于大规模spad集成阵列的淬灭电路，所述的淬灭电路的特征是：单光子雪崩二极管（spad）的阳极施加一个固定电压v
ap
，此固定电压比二极管雪崩击穿电压稍低；spad的阴极与一个pmosfet管pm2的源极相连；两个pmosfet管pm1和pm2组合一个共源共栅电流镜，分别有vb1和vb2进行电压偏置，均工作在饱和区，对spad在雪崩模式下电流镜进行限流，确保整个电路的工作电流上限，pm1的漏极接电压vdd；spad的阴极与一个反相器组连接，反相器组对脉冲信号进行调制并输出，并作为整个电路的缓冲。2.根据权利要求1所述的淬灭电路，其特征在于，spad的阳极施加一个负电压v
ap
，此电压比二极管击穿电压低，pm1和pm2组成一个共源共栅电流镜，pm1的漏极连接一个正电压源vdd，在没有光子信号入射时，pm1和pm2管上压降为零，spad阴极电压v
x
等于vdd，此时spad两端电压差为：v
spad
=vdd－v
ap
此电压比spad的雪崩击穿电压高，此时spad处于盖革工作模式；当有光子入射时，spad发生雪崩效应，此时有电流流过pm1和pm2，pm1和pm2管上产生压降，spad阴极电压v
x
将小于vdd，从而spad两端电压差下降至击穿电压以下，雪崩现象得到抑制，电路电流减小为零，pm1和pm2管压降为零，spad阴极电压v
x
恢复至vdd，整个电路复位至初始状态，等待下一次探测。3.根据权利要求1和2所述的限流电路特征是，偏置电压vb1和vb2根据需要可调整，改变偏置电压实现电路工作电流大小的调制。
技术总结
本发明提供一种应用于大规模SPAD集成阵列的淬灭电路。该电路通过限制雪崩二极管的雪崩电流，有效的减小工作电流，降低功耗，并且能够快速抑制二极管的雪崩效应，减小死区时间，提高工作速度。该电路架构简单，利用少量MOSFET（金属-氧化物半导体场效应晶体管，即金氧半场效晶体管，简称MOSFET）实现电路的全部功能，有效减小电路所占面积，并且工作电流得到有效限制，有利于实现单光子雪崩二极管的大规模集成。规模集成。规模集成。
技术研发人员：濮国亮 吴俊辉 沈寒冰
受保护的技术使用者：苏州超锐微电子有限公司
技术研发日：2021.01.05
技术公布日：2022/7/9
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