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基于失調(diào)控制差分放大結(jié)構(gòu)的單光子雪崩二極管淬滅電路的制作方法

文檔序號:8410565閱讀:769來源:國知局
基于失調(diào)控制差分放大結(jié)構(gòu)的單光子雪崩二極管淬滅電路的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于半導體技術(shù)領(lǐng)域,具體提供了一種基于失調(diào)控制差分放大結(jié)構(gòu)的單光 子雪崩二極管淬滅電路,涉及光電探測技術(shù)領(lǐng)域中單光子雪崩二極管陣列型讀出電路的接 口電路。
【背景技術(shù)】
[0002] 單光子探測技術(shù)能檢測極弱的光信號,是近年來發(fā)展起來的一項新興的探測技 術(shù)。單光子探測器廣泛應用于非破壞性物質(zhì)成分分析、生物發(fā)光及放射探測、天文高能物理 現(xiàn)象探測、激光三維成像、深空或自由空間通信以及量子保密通訊等。隨著半導體光電探測 器工藝技術(shù)的發(fā)展,能探測微弱信號的雪崩光電二極管已達到單光子檢測靈敏度的水平。
[0003] 用于單光子探測的雪崩光電二極管,通常稱為單光子雪崩二極管(Single-Photon Avalanche Diode,SPAD)。為了檢測單個光子,SPAD通常工作于蓋革模式,即偏置在高于其 雪崩電壓的工作點;此時,當單個光子進入SPAD時,會以一定的概率觸發(fā)雪崩擊穿,使電流 呈階梯狀的增加,在數(shù)十皮秒即上升到毫安量級,產(chǎn)生明顯的電流脈沖。雪崩擊穿是一種自 持行為,如果不采取抑制措施,雪崩過程將會持續(xù)直至器件損傷。為了使器件能夠正常工 作,必須使用雪崩淬滅電路來停止雪崩過程并將偏置電壓復位,使SPAD迅速恢復到截止以 及重新進入可以探測光子的狀態(tài)。因此,淬滅電路需要完成四個作用:能迅速檢測到雪崩電 流上升沿;產(chǎn)生一個與雪崩信號同步的標準脈沖輸出;雪崩開始后,迅速降低SPAD兩端電 壓到雪崩電壓以下來抑制雪崩,將SPAD關(guān)斷;為進行下一次探測,使SPAD兩端電壓能自動 恢復到原工作電壓。SPAD偏置和淬滅電路通常與門控技術(shù)相結(jié)合。
[0004] 目前單光子探測技術(shù)正在向集成化、微型化、陣列化、高時間分辨率的方向發(fā)展。 SPAD陣列化的應用也要求其后端的淬滅電路必須相應的陣列化,這對淬滅電路提出了更多 更高的要求:集成、微型、簡單、低功耗、低噪聲、高速檢測。而目前的淬滅電路研宄從早期的 被動淬滅發(fā)展成主動淬滅,之后出現(xiàn)主被動混合式淬滅,一部分設(shè)計因為電路復雜、面積過 大而很少用于大規(guī)模陣列中,大部分研宄僅僅停留在不同工藝下的仿真驗證階段,或者基 于分立器件的實驗驗證階段。近幾年出現(xiàn)的負載可變淬滅電路因電路結(jié)構(gòu)簡單,適合集成 于大陣列應用,已有研宄將此類結(jié)構(gòu)應用于32X32陣列的讀出電路,且具有較理想的測試 結(jié)果。
[0005] 但是,本發(fā)明人經(jīng)過研宄發(fā)現(xiàn),上述結(jié)構(gòu)普遍存在的問題是檢測閾值較高,檢測電 路的檢測閾值必須大于NMOS管的開啟電壓,這會導致淬滅電路受SPAD偏置電壓非線性效 應影響較大。因為考慮特定的SPAD其偏置電壓的非線性效應:由于陣列規(guī)模的擴大,雪崩 電流在電源寄生內(nèi)阻以及淬滅電路檢測電阻上產(chǎn)生的壓降造成SPAD PN結(jié)上反偏電壓呈非 線性下降,使得觸發(fā)的雪崩電流幅值無法滿足高閾值檢測要求。針對特定SPAD的這一特 性,一方面需要根據(jù)SPAD的偏壓非線性效應選取合適的檢測電阻,一般情況下檢測電阻阻 值較??;另一方面要設(shè)計檢測閾值較?。ǖ陀贜MOS管開啟電壓)的檢測電路,因為檢測電 路的檢測閾值越小,SPAD偏壓非線性對檢測造成的干擾越小;同時,閾值下限受噪聲水平 限制。而傳統(tǒng)的淬滅電路的檢測閾值受MOS管開啟電壓的約束,無法實現(xiàn)低閾值檢測。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對現(xiàn)有技術(shù)存在的淬滅電路的檢測閾值較高,檢測閾值必須大于NMOS管的開 啟電壓,從而會導致淬滅電路受SPAD偏置電壓非線性效應影響較大的技術(shù)問題,本發(fā)明提 供一種基于失調(diào)控制差分放大結(jié)構(gòu)的單光子雪崩二極管淬滅電路,打破了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中淬滅 電路的檢測閾值必須大于NMOS管開啟電壓的約束,實現(xiàn)了對亞毫安級雪崩電流的快速檢 測。
[0007] 為了實現(xiàn)上述目的,本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0008] -種基于失調(diào)控制差分放大結(jié)構(gòu)的單光子雪崩二極管淬滅電路,包括均與單光子 雪崩二極管P極連接的門控電路、快速復位電路、檢測電阻、低壓檢測電路和快速淬滅電 路;其中,
[0009] 所述門控電路用于接收外部輸入的門控使能信號,讓其處于導通或關(guān)斷狀態(tài); [0010] 所述快速復位電路用于所述門控電路處于關(guān)斷狀態(tài)的同時,接收外部輸入的復位 信號讓其處于導通狀態(tài),使所述單光子雪崩二極管P極電壓為零并處于待檢測狀態(tài);
[0011] 所述檢測電阻用于當所述單光子雪崩二極管檢測到光子產(chǎn)生雪崩電流時,雪崩電 流流經(jīng)所述檢測電阻并產(chǎn)生壓降,并將該壓降作為所述低壓檢測電路的輸入端電壓;
[0012] 所述低壓檢測電路采用基于失調(diào)控制的差分放大結(jié)構(gòu),用于感應輸入端電壓的變 化,當輸入端電壓大于所述低壓檢測電路的檢測閾值時輸出端信號變成低電平,控制所述 檢測電阻關(guān)斷同時使所述快速淬滅電路導通;
[0013] 所述快速淬滅電路用于其導通時加速淬滅過程,并讓所述單光子雪崩二極管P極 電壓很快拉到高電平,使雪崩電流被淬滅。
[0014] 本發(fā)明提供的基于失調(diào)控制差分放大結(jié)構(gòu)的單光子雪崩二極管淬滅電路,通過調(diào) 節(jié)和改進電路內(nèi)部的對稱性,并引入人為控制失配,使只有所述低壓檢測電路正負輸入之 差為一個固定值,即所述低壓檢測電路的檢測閾值近似等于人為引入的失調(diào)電壓時,所述 低壓檢測電路的輸出端信號才變成低電平,而這個檢測閾值是可以小于NMOS管的開啟電 壓的,因而實現(xiàn)了低壓檢測的目的,打破了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中淬滅電路的檢測閾值必須大于NMOS 管開啟電壓的約束,有效地減小了從光子到達到幅度檢測器檢測到電壓信號所用的時間, 同時減小了 SPAD偏壓非線性對檢測造成的干擾;門控模式與主動淬滅相結(jié)合可以精確的 控制復位時間和淬滅時間,從而減小暗計數(shù)和后脈沖概率并提高SPAD的可靠性。
[0015] 進一步,所述門控電路為第一 PMOS管,所述第一 PMOS管的柵極與外部輸入的門控 使能信號連接,源極與電源VDD連接,漏極與所述單光子雪崩二極管的P極連接。
[0016] 進一步,所述快速復位電路為第一 NMOS管,所述第一 NMOS管的柵極與外部輸入的 復位信號連接,源極接地,漏極與所述單光子雪崩二極管的P極連接。
[0017] 進一步,所述檢測電阻為第二NMOS管,所述第二NMOS管的柵極與所述低壓檢測電 路的輸出端連接,源極接地,漏極與所述單光子雪崩二極管的P極連接。
[0018] 進一步,所述低壓檢測電路包括自偏置差分放大器和反相器,所述自偏置差分放 大器用于感應所述檢測電阻上的壓降Vinl,人為引入失調(diào)電壓,實現(xiàn)低壓檢測;所述反相 器用于對所述自偏置差分放大器輸出的V rat值進行整形后輸出,以使得所述低壓檢測電路 的輸出端信號為軌至軌輸出。
[0019] 進一步,所述自偏置差分放大器由尾電流管、差分輸入管和負載電流鏡組成,所述 尾電流管為第二PMOS管,所述差分輸入管包括第三PMOS管和第四PMOS管,所述負載電流 鏡包括第三NMOS管和第四NMOS管;所述第二PMOS管的柵極與所述第三NMOS管和第四 NMOS管的柵極連接,源極與電源VDD連接,漏極與所述第三PMOS管和第四PMOS管的源極連 接;所述第三PMOS管的柵極作為所述低壓檢測電路的反向輸入端與所述單光子雪崩二極 管的P極
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