一種高速單光子雪崩二極管淬滅復位電路的制作方法

本發明屬于單光子探測技術領域，具體涉及一種高速單光子雪崩二極管淬滅復位電路。

背景技術：

單光子探測技術是一種極微光探測傳感技術，在生物發光、量子通信、大氣污染檢測、放射探測、天文研究、高靈敏度傳感器等領域有著比較廣泛的應用。單光子探測技術采用的光電接收器件主要有光電倍增管(PTM)、單光子雪崩二極管(APD)。然而工作在蓋革模式下的單光子雪崩光電二極管(APD)進行單光子探測時卻不能單獨工作，要是在單光子雪崩光電二極管的兩端施加的電壓都高于擊穿電壓，則其會很快被損壞。所以單光子雪崩光電二極管需要淬滅和復位電路進行配合才能正常工作。為了能夠淬滅雪崩和為后面的光子的入射做好準備而需要給器件充電復位到初始狀態，所以它要求外圍電路必須具有淬滅(即將單光子雪崩光電二極管兩端施加的反向偏置電壓快速降低到擊穿電壓之下)和復位(即迅速對單光子雪崩光電二極管兩端的反向偏置電壓進行充電使其陰極和陽極兩端的電壓差恢復到最初的探測狀態)的兩種功能。

目前也有完成單光子雪崩光電二極管淬滅恢復功能的電路設計，但是都不能快速地完成對雪崩光電二極管的淬滅恢復功能，從而導致雪崩光電二極管的盲時間過長、采樣頻率降低等，極大地降低了雪崩光電二極管的性能。

技術實現要素：

本發明的目的在于提出一種結構簡單、成本低、能夠快速完成雪崩光電二極管的淬滅恢復功能的電路。

本發明包括第一MOS管M1、第二MOS管M2、第三MOS管M3、第四MOS管M4、第五MOS管M5、第六MOS管M6、第七MOS管M7、第八MOS管M8、第九MOS管M9、第十MOS管M10、第四電容C4、第二電阻R2、第三電阻R3、與非門、第一電源和脈沖；所述第十MOS管M10的漏極接第二MOS管M2的漏極、第四MOS管M4的漏極、第五MOS管M5的漏極、第九MOS管M9的漏極并接第一電源的正極，第一電源的負極接地；第十MOS管M10的源極接第二MOS管M2的源極和第一MOS管M1的漏極；第一MOS管M1的柵極接第一MOS管M1的源極、第三MOS管M3的柵極、第七MOS管M7的漏極以及第四MOS管M4的柵極；第十MOS管M10的柵極接第七MOS管M7的柵極、第八MOS管M8的漏極及第九MOS管M9的源極；第二MOS管M2的柵極接第三MOS管M3的漏極、第四MOS管M4的源極、第五MOS管M5的柵極、第六MOS管M6的柵極以及第四電容C4的一端；第三MOS管M3的漏極輸出單光子探測信號；第三MOS管M3的源極接第六MOS管M6的源極、第七MOS管M7的源極以及第八MOS管M8的源極并接地；第四電容C4的另一端接第二電阻R2和第三電阻R3的一端；第二電阻R2的另一端接第五MOS管M5的源極和第六MOS管M6的漏極；第三電阻R3的另一端接第八MOS管M8和第九MOS管M9的漏極。

所述的與非門由第十二MOS管M12、第十三MOS管M13、第十四MOS管M14、第十五MOS管M15、第十六MOS管M16和第十七MOS管M17組成；第十六MOS管M16的漏極接第十七MOS管M17的源極并輸出單光子信號；第十六MOS管M16的柵極接第十七MOS管M17的柵極、第十二MOS管M12的源極、第十三MOS管M13的源極以及第十四MOS管M14的漏極；第十二MOS管M12的漏極接第十三MOS管M13的漏極和第十七MOS管M17的漏極并接第一電源的正極；第十二MOS管M12的柵極接第十五MOS管M15的柵極和脈沖的正極；第十四MOS管M14的源極接第十五MOS管M15的漏極；脈沖的負極接第十五MOS管M15的源極和第十六MOS管M16的源極并接地；第十三MOS管M13的柵極接第十四MOS管M14的柵極；第十四MOS管M14的柵極接第九MOS管M9的源極輸出的采樣保持信號。

所述的第一MOS管M1、第二MOS管M2、第三MOS管M3和第四MOS管M4組成檢測器。

所述的第五MOS管M5、第六MOS管M6、第八MOS管M8、第九MOS管M9、第二電阻R2、第三電阻R3和第四電容C4組成延遲器，其中，第五MOS管M5和第六MOS管M6組成第一個反相器，第八MOS管M8和第九MOS管M9組成第二個反相器。

所述的第一MOS管M1、第二MOS管M2、第四MOS管M4、第五MOS管M5、第九MOS管M9和第十MOS管M10為PMOS管；所述的第三MOS管M3、第六MOS管M6、第七MOS管M7和第八MOS管M8為NMOS管。

所述的第十二MOS管M12、第十三MOS管M13和第十七MOS管M17為PMOS管；所述的第十四MOS管M14、第十五MOS管M15和第十六MOS管M16為NMOS管。

本發明的有益效果在于：

本發明首先利用檢測器對雪崩光電二極管產生的信號進行檢測，當檢測器的輸出信號(第三MOS管M3的漏極輸出的單光子探測信號Vout2)為高電平，M2內阻升高兩端電壓增加，M7導通，M10截止，使得雪崩光電二極管兩端的反向偏置電壓快速地降低，高速地完成電路的淬滅功能。當檢測器的輸出信號為低電平時，M2內阻降低兩端電壓減少，M7截止，M10導通，使得雪崩光電二極管兩端的反向偏置電壓快速地增加，高速地完成電路的恢復功能，以此來完成本發明的功效。

附圖說明

圖1為本發明的電路原理圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明做進一步說明。

參照圖1，一種高速單光子雪崩二極管淬滅復位電路，包括第一MOS管M1、第二MOS管M2、第三MOS管M3、第四MOS管M4、第五MOS管M5、第六MOS管M6、第七MOS管M7、第八MOS管M8、第九MOS管M9、第十MOS管M10、第四電容C4、第二電阻R2、第三電阻R3、與非門、第一電源Vdd和脈沖Vpulse；第一MOS管M1、第二MOS管M2、第四MOS管M4、第五MOS管M5、第九MOS管M9和第十MOS管M10為PMOS管；第三MOS管M3、第六MOS管M6、第七MOS管M7和第八MOS管M8為NMOS管。第一MOS管M1、第二MOS管M2、第三MOS管M3和第四MOS管M4組成檢測器，檢測器主要用來檢測雪崩光電二極管是否探測到單光子信號產生的脈沖信號。第五MOS管M5、第六MOS管M6、第八MOS管M8、第九MOS管M9、第二電阻R2、第三電阻R3和第四電容C4組成延遲器，其中，第五MOS管M5和第六MOS管M6組成第一個反相器，第八MOS管M8和第九MOS管M9組成第二個反相器，第四電容C4的一端連接到第一個反相器的前端，另一端連接在第二電阻R2、第三電阻R3之間，此種連接采用了密勒定理的原理，使得延遲器的調節范圍變得更寬，適應不同條件下對采樣頻率的需求，此延遲器具有采樣保持功能，以此來保證電路的穩定性和淬滅和恢復功能的完成。第三MOS管M3和第七MOS管M7用來加速電路的淬滅速度，第十MOS管M10用來增加電路的恢復速度。

第十MOS管M10的漏極接第二MOS管M2的漏極、第四MOS管M4的漏極、第五MOS管M5的漏極、第九MOS管M9的漏極并接第一電源Vdd的正極，第一電源Vdd的負極接地；第十MOS管M10的源極接第二MOS管M2的源極和第一MOS管M1的漏極；第一MOS管M1的柵極接第一MOS管M1的源極、第三MOS管M3的柵極、第七MOS管M7的漏極以及第四MOS管M4的柵極；第十MOS管M10的柵極接第七MOS管M7的柵極、第八MOS管M8的漏極及第九MOS管M9的源極；第二MOS管M2的柵極接第三MOS管M3的漏極、第四MOS管M4的源極、第五MOS管M5的柵極、第六MOS管M6的柵極以及第四電容C4的一端；第三MOS管M3的漏極輸出單光子探測信號Vout2；第三MOS管M3的源極接第六MOS管M6的源極、第七MOS管M7的源極以及第八MOS管M8的源極并接地；第四電容C4的另一端接第二電阻R2和第三電阻R3的一端；第二電阻R2的另一端接第五MOS管M5的源極和第六MOS管M6的漏極；第三電阻R3的另一端接第八MOS管M8和第九MOS管M9的漏極。

二輸入的與非門由第十二MOS管M12、第十三MOS管M13、第十四MOS管M14、第十五MOS管M15、第十六MOS管M16和第十七MOS管M17組成；第十二MOS管M12、第十三MOS管M13和第十七MOS管M17為PMOS管；第十四MOS管M14、第十五MOS管M15和第十六MOS管M16為NMOS管；第十六MOS管M16的漏極接第十七MOS管M17的源極并輸出單光子信號Vout1；第十六MOS管M16的柵極接第十七MOS管M17的柵極、第十二MOS管M12的源極、第十三MOS管M13的源極以及第十四MOS管M14的漏極；第十二MOS管M12的漏極接第十三MOS管M13的漏極和第十七MOS管M17的漏極并接第一電源Vdd的正極；第十二MOS管M12的柵極接第十五MOS管M15的柵極和脈沖Vpulse的正極；第十四MOS管M14的源極接第十五MOS管M15的漏極；脈沖Vpulse的負極接第十五MOS管M15的源極和第十六MOS管M16的源極并接地；第十三MOS管M13的柵極接第十四MOS管M14的柵極；第十四MOS管M14的柵極作為端口1接第九MOS管M9的源極輸出的采樣保持信號Vout3；端口2為脈沖Vpulse的脈沖信號輸出端，采樣保持信號和脈沖Vpulse的脈沖信號通過與非門發生融合，共同產生的信號用來模擬單光子信號。

第十一MOS管M11、第一電容C1、第二電容C2、第三電容C3、第一電阻R1和第二電源Vbreak組成雪崩光電二極管的電路替代模型，用來模擬單光子雪崩二極管接收單光子信號；第十一MOS管M11為NMOS管。第十一MOS管M11的源極接第一電阻R1的一端并接地；第一電阻R1的另一端接第二電源Vbreak的正極；第二電源Vbreak的負極接第一電容C1和第三電容C3的一端；第三電容C3的另一端接第二電容C2的一端并接地；第十一MOS管M11的漏極接第一電容C1的另一端、第二電容C2的另一端及第七MOS管M7的漏極；第十一MOS管M11的柵極接單光子信號Vout1。

當檢測器的輸出信號(第三MOS管M3的漏極輸出的單光子探測信號Vout2)為高電平時，M2內阻升高兩端電壓增加，M7導通，M10截止，使得雪崩光電二極管兩端的反向偏置電壓快速地降低，高速地完成電路的淬滅功能。當檢測器的輸出信號為低電平時，M2內阻降低兩端電壓減少，M7截止，M10導通，使得雪崩光電二極管兩端的反向偏置電壓快速地增加，高速地完成電路的恢復功能。以此來完成本發明的功效。