一種單光子雪崩二極管的淬火復位電路制造技術

本發明專利技術提供一種單光子雪崩二極管的淬火復位電路，包括：單光子雪崩二極管；通過外部復位信號將所述單光子雪崩二極管的陽極復位至低電位的被動復位模塊；當所述單光子雪崩二極管發生雪崩后將所述單光子雪崩二極管的反偏電壓減小到臨界雪崩電壓之下的淬火模塊；淬火結束后將所述單光子雪崩二極管的陽極復位至低電位的主動復位模塊。本發明專利技術可避免雪崩產生的大電流對器件的損傷，同時有效改善信號節點發生振蕩的情況，避免電路進入錯誤狀態，大大地提高了單光子雪崩二極管的淬火復位電路的工作性能，優化了單光子雪崩二極管的淬火復位電路在實際使用中的實用性和操作性。

Quenching reset circuit of single photon avalanche diode

The invention provides a quenching reset circuit, a single photon avalanche diode includes: single photon avalanche diodes; the external reset signal will reset the passive module single photon avalanche diode anode reset to low voltage; when the single photon avalanche diode avalanche occurred after the single photon avalanche diode reverse bias the voltage is reduced to below the critical avalanche voltage module quenching; quenching after the single photon avalanche diode anode potential active low reset to reset module. The invention can avoid the damage due to the large current avalanche device, and effectively improve the signal node oscillation situation, avoid the circuit into the wrong state, and greatly improve the working performance of the quenching reset circuit of single photon avalanche diodes, optimize the quenching reset circuit of single photon avalanche diodes in practical use and practicality operation.

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及集成電路設計領域，特別是涉及一種單光子雪崩二極管的淬火復位電路。
技術介紹
單光子雪崩二極管(SinglePhotonAvalancheDiode，SPAD)是工作在反偏電壓高于臨界雪崩電壓值的二極管，在沒有外部光子入射或者沒有內部載流子觸發的情況下，不會有電流生成。一旦有觸發發生，單光子雪崩二極管就會快速生成大電流流過，這種大電流如果不能馬上制止，就會自應為器件過熱而被燒毀。淬火電路就是用來制止雪崩二極管發生雪崩的，其原理就是通過無源的串聯大電阻或者是有源的開關管將單光子雪崩二極管的反偏電壓減小到臨界電壓之下，使得雪崩效應停止。淬火完成后，待雪崩效應完全消失后，就需要復位電路來恢復單光子雪崩二極管的偏壓，使得偏置在原來的臨界雪崩電壓之上，從而進行下一次測試。從上世紀八九十年代，單光子雪崩二極管被提出來之后，對于單光子雪崩二極管的淬火和復位電路的研究就已經開始了。經過近三十年的研究，已經出現了主動淬火主動復位、主動淬火被動復位、被動淬火主動復位、被動淬火被動復位這四種淬火復位電路原理。2015年，意大利的Giustolisi等人提出了一種單光子雪崩二極管的淬火復位電路，如圖1所示，單光子雪崩二極管的陰極連接偏置電壓VBIAS、陽極連接電阻RF、NMOS管M1a后接地；NMOS管M2a及PMOS管M2b構成反相器連接于單光子雪崩二極管的陽極，并輸出信號OUT；延時模塊delay對輸出信號OUT進行延時，并輸出延時信號DLY；PMOS管M3d、M3b及NMOS管M3c形成電源到地的通路，PMOS管M3b及NMOS管M3c的漏端輸出復位信號RESET，PMOS管M3d及NMOS管M3c的柵極連接輸出信號OUT，PMOS管M3b的柵極連接延時信號DLY；NMOS管M3a的漏端連接復位信號RESET、源端接地、柵端連接延時信號DLY；PMOS管M1d、M1b及NMOS管M1c形成電源到地的通路，PMOS管M1d及NMOS管M1c的柵端連接復位信號RESET，PMOS管M1b及NMOS管M1a的柵端連接輸出信號OUT。圖1通過串聯電阻RF來實現淬火，這是一種被動淬火方式；而復位功能是通過RESET信號線上所控制的NMOS管M1c來實現的，是一種主動復位方式。延時模塊delay的詳細電路結構如圖2所示，PMOS管M4b與NMOS管M4a構成反相器，輸出信號OUTC；PMOS管M5b與NMOS管M5a構成反相器，兩級反相器起緩沖作用；電阻RD的一端連接PMOS管M5b與NMOS管M5a的漏端、另一端連接NMOS管M6a的漏端；PMOS管M6b的源端連接PMOS管M5b與NMOS管M5a的漏端、漏端連接NMOS管M6a的源端，輸出延時信號DLY，電容CD的一端連接延時信號DLY、另一端接地。圖3為上述淬火復位電路四個的關鍵節點的信號仿真圖，其中：由圖3中可知，τ1時間段內，節點A位于高電平，那么圖1中單光子雪崩二極管SPAD兩端的反偏電壓就會小于臨界雪崩電壓，單光子雪崩二極管SPAD的雪崩效應不會被觸發，τ1時間也稱作為關斷時間(hold-offtime)，可以在芯片外通過更換電容CD的大小來實現關斷時間的可控。在τ2時段內，復位信號RESET已經完成復位，節點A處于低電平，節點OUT處于高電平，而節點DLY是處于低電平，并非是初始狀態的高電平。如果這τ2時間段內有光子入射或載流子撞擊達到雪崩效應發生的條件，就會有雪崩電流產生，節點A就會翻轉到高電平，而節點OUT會翻轉到低電平，由于DLY處于低電平，那么RESET會翻轉到高電平，對節點A進行復位，使得A有翻轉到低電平。短時間內雪崩電流不會完全消失，當A翻轉回到低電平時，雪崩效應又會進一步被觸發，從而對節點OUT和節點RESET以及節點A再一次翻轉，如此循環下去，對于信號節點來說是產生振蕩現象而不能有效地進行真實應用，對電路來講持續的雪崩效應和大電流可能會燒壞電路。因此，如何有效地盡可能減小τ2的時間，避免信號產生振蕩、電路進入錯誤狀態，是單光子雪崩二極管淬火復位電路研究領域中亟待解決的問題之一。
技術實現思路
鑒于以上所述現有技術的缺點，本專利技術的目的在于提供一種單光子雪崩二極管的淬火復位電路，用于解決現有技術中單光子雪崩二極管的淬火復位電路的節點產生振蕩，進而引起錯誤狀態，影響實際使用中的操作性等問題。為實現上述目的及其他相關目的，本專利技術提供一種單光子雪崩二極管的淬火復位電路，所述單光子雪崩二極管的淬火復位電路至少包括：單光子雪崩二極管，所述單光子雪崩二極管的陰極連接設定電位，所述設定電位小于電源電壓與所述單光子雪崩二極管的臨界雪崩電壓之和；被動復位模塊，連接于所述單光子雪崩二極管的陽極，通過外部復位信號將所述單光子雪崩二極管的陽極復位至低電位；淬火模塊，連接于所述單光子雪崩二極管的陽極，當所述單光子雪崩二極管發生雪崩后將所述單光子雪崩二極管的反偏電壓減小到臨界雪崩電壓之下；主動復位模塊，連接于所述淬火模塊的輸出端及所述單光子雪崩二極管的陽極，當淬火結束后將所述單光子雪崩二極管的陽極復位至低電位。優選地，所述被動復位電路包括第一NMOS管，所述第一NMOS管的漏端連接所述單光子雪崩二極管的陽極、柵端連接外部復位信號、源端接地。優選地，所述淬火模塊包括：第二NMOS管、第三NMOS管、第一PMOS管及第一反相器；所述第二NMOS管的漏端及柵端連接所述單光子雪崩二極管的陽極；所述第一反相器的輸入端連接所述單光子雪崩二極管的陽極；所述第三NMOS管的漏端連接所述第二NMOS管的源端、柵端連接所述第一反相器的輸出端、源端接地；所述第一PMOS管的漏端連接所述單光子雪崩二極管的陽極、柵端連接所述第一反相器的輸出端、源端連接電源電壓。優選地，所述主動復位模塊包括：延時單元、或非邏輯單元及下拉單元；所述延時單元的輸入端連接所述淬火模塊的輸出端，用于將輸入信號延時并減小脈寬；所述或非邏輯單元的第一輸入端連接所述淬火模塊的輸出端、第二輸入端連接所述延時單元的輸出端，當所述單光子雪崩二極管發生雪崩后觸發主動復位信號；所述下拉單元連接所述或非邏輯單元的輸出端及所述單光子雪崩二極管的陽極，當所述主動復位信號起效時將所述單光子雪崩二極管的陽極復位至低電位。更優選地，所述下拉單元為第四NMOS管，所述第四NMOS管的漏端連接所述單光子雪崩二極管的陽極、柵端連接所述或非邏輯單元的輸出端、源端接地。更優選地，所述延時單元包括：電阻、第一電容、第二反相器、第二電容、第五NMOS管及第三反相器；所述電阻的一端連接輸入信號、另一端連接所述第二反相器；所述第一電容的一端連接于所述電阻及所述第二反相器之間、另一端接地；所述第二電容的一端連接所述第二反相器的輸出端、另一端連接所述第三反相器的輸入端；所述第五NMOS管的漏端連接所述第三反相器的輸入端、柵端連接所述第二反相器的輸出端、源端接地。更優選地，所述延時單元還包括連接于輸入信號與所述電阻之間的緩沖器，所述緩沖器包括兩級反相器。更優選地，所述第二電容的電容值小于100fF。如上所述，本專利技術的單光子雪崩二極管的淬火復位電路，具有以下有益效果：本專利技術的單光子雪崩二極管的淬火復位電路可避免雪崩產生的大電流對器件的損傷，同時有效改善信號節點發生本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種單光子雪崩二極管的淬火復位電路，其特征在于，所述單光子雪崩二極管的淬火復位電路至少包括：單光子雪崩二極管，所述單光子雪崩二極管的陰極連接設定電位，所述設定電位小于電源電壓與所述單光子雪崩二極管的臨界雪崩電壓之和；被動復位模塊，連接于所述單光子雪崩二極管的陽極，通過外部復位信號將所述單光子雪崩二極管的陽極復位至低電位；淬火模塊，連接于所述單光子雪崩二極管的陽極，當所述單光子雪崩二極管發生雪崩后將所述單光子雪崩二極管的反偏電壓減小到臨界雪崩電壓之下；主動復位模塊，連接于所述淬火模塊的輸出端及所述單光子雪崩二極管的陽極，當淬火結束后將所述單光子雪崩二極管的陽極復位至低電位。

【技術特征摘要】
1.一種單光子雪崩二極管的淬火復位電路，其特征在于，所述單光子雪崩二極管的淬火復位電路至少包括：單光子雪崩二極管，所述單光子雪崩二極管的陰極連接設定電位，所述設定電位小于電源電壓與所述單光子雪崩二極管的臨界雪崩電壓之和；被動復位模塊，連接于所述單光子雪崩二極管的陽極，通過外部復位信號將所述單光子雪崩二極管的陽極復位至低電位；淬火模塊，連接于所述單光子雪崩二極管的陽極，當所述單光子雪崩二極管發生雪崩后將所述單光子雪崩二極管的反偏電壓減小到臨界雪崩電壓之下；主動復位模塊，連接于所述淬火模塊的輸出端及所述單光子雪崩二極管的陽極，當淬火結束后將所述單光子雪崩二極管的陽極復位至低電位。2.根據權利要求1所述的單光子雪崩二極管的淬火復位電路，其特征在于：所述被動復位電路包括第一NMOS管，所述第一NMOS管的漏端連接所述單光子雪崩二極管的陽極、柵端連接外部復位信號、源端接地。3.根據權利要求1所述的單光子雪崩二極管的淬火復位電路，其特征在于：所述淬火模塊包括：第二NMOS管、第三NMOS管、第一PMOS管及第一反相器；所述第二NMOS管的漏端及柵端連接所述單光子雪崩二極管的陽極；所述第一反相器的輸入端連接所述單光子雪崩二極管的陽極；所述第三NMOS管的漏端連接所述第二NMOS管的源端、柵端連接所述第一反相器的輸出端、源端接地；所述第一PMOS管的漏端連接所述單光子雪崩二極管的陽極、柵端連接所述第一反相器的輸出端、源端連接電源電壓。4.根據權利要求1所述的單光子雪崩二極管的淬火復位電路，其特征在于：...

【專利技術屬性】
技術研發人員：汪輝，黃景林，章琦，汪寧，田犁，葉匯賢，黃尊愷，
申請(專利權)人：中國科學院上海高等研究院，
類型：發明
國別省市：上海;31