[发明专利]一种应用于SPAD探测器的高计数范围的模拟计数电路

权利要求书

1.一种应用于SPAD探测器的高计数范围的模拟计数电路，其特征在于：电路由一个计数电容C、1个电阻R和15个MOS管组成，15个MOS管为NMOS管MN0、MN1、MN2、MN3和MN4，PMOS管MP0、MP1、MP2、MP3、MP4、MP5、MP6、MP7、MP8和MP9，MN1和MN3的源极接GND，MN1的漏极接MN2的源极，MN1的栅极接MN3的栅极、MN3的漏极和MN4的源极，MN2的栅极接MN4的栅极、MN4的漏极和MP7的漏极，MN2的漏极接MP5的漏极、MP5的栅极和MP4的栅极，MP7的源极接MP6的漏极，MP6的源极、MP8的源极、MP0的源极、MP4的源极、MP5的源极和MP1的栅极接电源电压VDD，MP7的栅极接MP9的栅极、MP9的漏极和电阻R的一端，电阻R的另一端接GND，MP9的源极接MP8的漏极、MP8的栅极、MP6的栅极和MP2的栅极，MP4的漏极接MP3的源极和输出端out，MP0的栅极接脉冲信号in，MP0的漏极接MP1的源极，MP1的漏极接MP2的源极，MP2的漏极接电容C的上极板、MN0的漏极和MP3的栅极，MN0的源极、电容C的下极板和MP3的漏极接GND，MN0的栅极接复位信号Clear；其中NMOS管MN3和MN4，PMOS管MP6，MP7，MP8和MP9以及电阻R构成一个Cascode偏置电路，为计数电路提供偏置，为MP2提供偏置电压，MP0是电荷注入管，MP1是隔离管，MP2为限流管，MN0为复位开关；MN1、MN2、MN3和MN4构成NMOS管电流镜；MP4和MP5构成PMOS管电流镜；MP3将计数电容C上的电压信号传递到输出端out，作为计数的输出结果。

2.一种利用权利要求1所述的应用于SPAD探测器的高计数范围的模拟计数电路进行计数的方法，其特征在于包含以下三个步骤：

一、复位阶段，复位阶段是光子探测的准备阶段，在雪崩脉冲到来之前，复位信号Clear为高电平，电荷注入管MP0处于断开状态，利用复位信号Clear将电容C的原有的电荷放电到GND，以等待计数阶段的到来；

二、计数阶段，单光子雪崩二极管光电探测器开始对光信号进行探测，产生雪崩脉冲输入信号，雪崩脉冲信号in在低电平的时候，MP0是导通的，MP0的漏极与源极电位接近相同，为电源电压，当雪崩脉冲信号的一个上升沿到来时，由于电容的两端电压不能突变的原理，MP0两端的电压不能突变，因此MP0的栅极电压上升时，其漏极电压也随之升高，经过一个短暂的瞬间又恢复到正常状态，由于只有瞬间导通，且有限流管MP2限制导通电流的大小，计数电容所获得的电荷量非常少，计数电容就在这一瞬间完成了充电并计数；

三、读出阶段，SPAD完成了对单光子信号的探测，电荷注入管MP0断开，MP3开始对计数电容C的上极板上的电压进行读出，通过计算即可得到SPAD在探测期间所探测到的光子数。