一种用于自由运转SPAD的高速淬灭电路设计

针对标准CMOS工艺的单光子雪崩探测器(Single Photon Avalanche Detector,SPAD),设计了 一种可用于自由运转模式的高速淬灭电路.为了实现淬灭电路的功能设计与精准仿真,根据实测的SPAD电流-电压曲线拟合得到了电流与电压间的多段式函数解析式,进一步建立了 SPAD器件的Verilog-A行为级模型并与淬灭电路进行集成仿真与验证.淬灭电路采用基于电容感应的主被动淬灭结构,利用可变MOS电容的延迟电路实现了关断时间(Hold-off Time)的灵活调节.仿真结果表明,所设计淬灭电路的淬灭时间和恢复时间分别为1.0和1.2 ns,关断时间调节范围为1.02～3.55 μs,可以满足自由运转CMOS SPAD的应用需求.     

SPAD单光子探测器的SPICE模型及其CQC淬火电路研究

在盖革模式下工作的雪崩光子二极管(APD)也称为单光子雪崩光子二极管(singlephoton avalanche photon diode, SPAD)是一种常用于激光测距成像领域的单光子探测器。本文针对SPAD探测应用中的淬火问题,设计了一种电容淬火(capacitive quenching circuit, CQC)电路。首先,根据SPAD器件的性能参数,建立了SPAD的SPICE等效模型,并通过无源淬火电路验证了该模型。其次,基于该等效模型的基础上,仿真验证了所设计的CQC淬火电路的淬火效果。仿真结果表明:所设计的CQC电路不仅具有门控有源淬火电路的优点,而且具有更稳定的偏置电压和击穿电流。本文设计的CQC淬火电路的淬火时间和恢复时间分别为16 ns和41 ns,基本可满足单光子测距的应用需求。     

激光云高仪单光子探测器混合抑制电路研究与设计

简述单光子探测器对于激光云高仪研究的重要作用。在了解单光子探测器SPAD基本工作原理的基础上,搭建SPAD的被动抑制电路,实验得出SPAD的死时间在2 ?s以上,只能适用于单光子计数率小于500 kHz的场合。为了减少单光子探测器的死时间,提高单光子计数率,设计了雪崩被动淬灭电压主动恢复的混合抑制电路,通过精密的时序控制,探测器的死时间缩短为100 ns,单光子计数率上升至10 MHz。理论上激光云高仪的空间分辨率可达15 m,单光子探测器SPAD混合抑制电路对于激光云高仪的工作性能以及顺利研制有着重要意义。     

单光子雪崩二极管SPICE仿真模型的建立和应用

单光子雪崩二极管(SPAD)作为一种高效的光子探测器件被广泛应用于量子通信和三维成像等领域。在Cadence中建立了一个SPAD的Spice模型,通过Verilog-A语言,采用两个e指数函数的组合,以连续函数的方式描述了SPAD在盖革模式区等效电阻的动态变化。这两个e指数函数分别体现了高阻区和低阻区的等效电阻特性,解决了分段电阻模型仿真不收敛的问题。该Spice模型模拟了SPAD器件在“接收光子-雪崩产生脉冲-淬灭-复位”工作过程中的动态特性和SPAD从正偏到二次击穿的静态I-V特性。将其应用到4种不同淬灭电路的仿真中,验证了该模型的有效性和稳定性。     

Si-APD单光子探测器的全主动抑制技术

为了缩短单光子探测器工作的死时间,提高单光子计数率,在分析单光子探测器被动抑制工作模式的基础上,针对硅雪崩光电二极管的工作特点,实验设计了精密快速的抑制电路,用以控制探测器的雪崩淬灭和电压恢复,实施了主动淬灭与快恢复相结合的全主动抑制技术。结果表明,该技术使探测器工作在更加安全高效的全主动抑制模式下,最后实验测得探测器总的死时间由原被动抑制模式下大于2μs缩短至120ns,单光子计数率由被动模式下低于1MHz上升到8MHz以上,从而达到了提高计数率的目的,满足一些单光子高效检测和计数的需要。     

基于SMIC 0.13μm CIS工艺的单光子TOF传感器像素设计

设计了一种基于SMIC 0.13μm CIS工艺的单光子飞行时间(TOF)传感器像素结构。针对传统单光子雪崩二极管(SPAD)结构的不足,采用p阱和STI共同作为保护环,避免器件提前发生边缘击穿从而减小器件面积,增加深n阱使有源区耗尽层变窄,从而降低雪崩击穿电压,增加硅外延层将器件的光谱响应峰值转移到所需要的光波长,以此提高器件对指定波长光的吸收能力。通过浮动SPAD阳极电压的方式,采用低压CMOS晶体管实现主动式淬灭电路从而快速地控制雪崩电流淬灭,以达到缩短死区时间的目的。通过SILVACO TCAD和Cadence IC设计套件对工艺、像素器件结构以及相关电路进行仿真,验证了该设计的可行性。     

单光子雪崩二极管猝熄电路的发展

单光子雪崩二极管(SPAD)是工作在击穿电压上的雪崩光电二极管(APD).对于极弱光学信号的探测,例如超高音速飞行器早期预警的应用,SPAD可能是理想的探测器选择.SPAD必须与猝熄电路配套工作.基于pn结等效电路模型,分析了适用于SPAD雪崩猝熄的基本电路结构,例如被动、主动以及混合猝熄电路等.对于SPAD器件测试和...     

一种完全集成的单光子雪崩二极管探测器

针对单光子雪崩二极管探测器,提出了一种紧凑的主动淬灭电路和读出电路,能够快速控制雪崩电流淬灭,对光子雪崩脉冲进行线性和对数方式的模拟计数。该电路能够最大限度地减少淬灭时间,缩短死区时间,扩大读数的动态范围,大幅度减小每个像素单元的面积,提高像素密度。采用SMIC 0.18 μm CMOS工艺进行仿真,得到输入雪崩脉冲宽度约为8 ns,线性计数达到10³次,而对数计数可以达到10⁵次,像素单元占空比得到显著提高。     

SPAD阵列读出电路关键技术与发展趋势(特邀)

首先针对SPAD阵列读出电路的特点,将电路主要分成接口电路与信号处理电路两大部分,其次根据单光子雪崩光电探测器的阵列的不同应用场景,阐述了集成读出电路中核心电路模块设计的关键技术。分别从SPAD的接口电路设计、两种典型应用成像模式(光子计时、光子计数)中核心电路的设计方面,详细分析此类电路的关键技术以及国内外研究团队在此类电路的研究进展与存在的问题。最后根据目前国内外研究的进展情况,分析了SPAD阵列集成读出电路的发展趋势以及各类电路存在的设计重点与难点,为SPAD阵列读出电路的设计提供一些参考。     

SPAD的EDA模型及其在集成淬火电路设计中的应用

针对应用于单光子探测的单光子雪崩二极管建立了EDA电路模型,讨论了模型参数设置及仿真方法,利用此模型分别完成了像素级被动淬火集成电路、像素级主动淬火及快速恢复集成电路的设计仿真,并利用CSMC公司的0.5μm CMOS工艺进行流片制作.结果表明,建立的探测器模型与CMOS电路设计相互兼容,通过合适的电路设计和参数设置,采用以上集成淬灭电路的单光子探测器的最小"盲时"可分别达到100 ns和4 ns.     

单光子雪崩二极管的被动-主动混合抑制技术

采用主动快恢复技术,设计了缩短死时间的被动-主动相结合的抑制电路,制作出高量子效率、低噪声、死时间短的单光子探测器,探测器的死时间由原来的大于2μs缩短为小于100ns,计数率达到5 MHz以上.利用TAC/MCA技术对单光子雪崩二极管(SPAD)输出信号进行了光子自相关测量,研究了2个相邻单光子计数脉冲时间分布统计效应,直接观测到了采用被动-主动混合抑制技术后死时间的改善.     

盖革模式雪崩光电二极管的场效应管淬灭电路设计

雪崩光电二极管(Avalanche Photondiode,APD)是一种常用于激光探测领域的光敏元件.本文针对盖革模式雪崩光电二极管(Geiger Mode-Avalanche Photondiode,Gm-APD)工作时发生的雪崩效应,设计了一种场效应管淬灭电路(Field Effect Transistor Qu...     

A fast driver circuit for single-photon sensors

A fast active quenching and recharging circuit (AQRC) for single-photon avalanche diodes (SPAD) is presented in this paper. The proposed driver exhibits a lower than 10 ns overall quenching time allowing a tunable excess voltage from 5 to 12 V. The circuit was designed by using the dielectrically insulated BiCMOS technology supplied by ST Microelectronics. Many post-layout ELDO simulations have validated the high performance of the proposed topology, which is actually the fastest AQRC reported in the literature.     

Reduce Afterpulsing of Single Photon Avalanche Diodes Using Passive Quenching With Active Reset

In this paper, we report a passive-quenching-with-active-reset circuit designed to reduce afterpulsing for single photon avalanche diodes. This circuit uses a large resistor to passively quench the avalanche current and a transistor to actively reset the device to the operating voltage after a specified hold-off time. Afterpulsing can be reduced by minimizing the stray capacitance of the package to reduce the total charge flow during avalanche. Proof of principle is demonstrated with discrete components. It is expected that by integrating the transistor with the avalanche photodiode the stray capacitance can be minimized to significantly reduce afterpulsing.     

Compact SPAD pixels with fast and accurate photon counting in the analog domain

A compact pixel for single-photon detection in the analog domain is presented.The pixel integrates a single-photon avalanche diode (SPAD),a passive quenching & active recharging circuit (PQARC),and an analog counter for fast and accurate sensing and counting of photons.Fabricated in a standard 0.18μm CMOS technology,the simulated and experimental results reveal that the dead time of the PQARC is about 8 ns and the maximum photon-counting rate can reach 125 Mcps (counting per second).The analog counter can achieve an 8-bit counting range with a voltage step of 6.9 mV.The differential nonlinearity (DNL) and integral nonlinearity (INL) of the analog counter are within the ± 0.6 and ± 1.2 LSB,respectively,indicating high linearity of photon counting.Due to its simple circuit structure and compact layout configuration,the total area occupation of the presented pixel is about 1500μm2,leading to a high fill factor of 9.2％.The presented in-pixel front-end circuit is very suitable for the high-density array integration of SPAD sensors.     

基于APD的气体拉曼单光子探测器设计

根据拉曼散射光的特点,选用一种由硅雪崩光电二极管（APD）组成的多像素倍增器件作为光电转换器,设计了一套单光子探测器。为降低探测过程的噪声,探测器部分设计有低纹波偏压、恒温控制和快速雪崩抑制模块,并配有用于雪崩特性研究的测试模块,并通过调整电路参数优化探测性能。测试结果表明：探测器具有响应灵敏度高、分析速度快、体积小巧、功耗低等特点,适合在气体拉曼分析系统中使用。