[发明专利]一种用于单光子探测器的模拟计数电路

说明书

一种用于单光子探测器的模拟计数电路，属于半导体光电技术领域。包括脉冲整形单元、电流镜单元、复位单元和电压跟随器，脉冲整形单元的输入端作为模拟计数电路的输入端连接雪崩脉冲信号，将雪崩脉冲信号整形后输入电流镜单元的输入端；利用低电压工作下的电流镜单元提供放电通路，其输出端连接复位单元的输出端和电压跟随器的输入端，复位单元用于控制模拟计数电路的复位，电压跟随器的输出端作为模拟计数电路的输出端。本发明提出的模拟计数电路，与传统的数字技术电路相比，结构简单，版图面积小，填充系数高，节约了制造成本；与传统的模拟计数电路相比，具有更大的计数范围。

技术领域

本发明属于半导体光电技术领域，具体提供了一种应用于单光子探测器中的线性模拟计数电路，实现对吸收光子数的精确快速计数。

背景技术

光探测器种类繁多，如光倍增管(PMT)和混合光探测器，以单光子雪崩二极管(SPAD)和硅倍增管(SiPM)为典型的基于半导体器件的光探测器在不同领域有着广泛应用。基于不同的探测技术，现在的光探测效率可达到90％以上，探测光的波长可从400nm到1700nm。其中基于单光子雪崩二极管SPAD阵列的单光子探测技术是一种可用于成像的技术，与传统的基于电荷耦合器件(Charge Couple Device)和CMOS有源像元图像传感器成像技术相比，单光子探测技术具有探测灵敏度高，反应速度快，噪声小等优势，除了用于单光子成像，在生物芯片检测、医疗诊断、天文观测、量子电子学等领域上也都有重要作用。

单光子雪崩二极管SPAD阵列中包含多个像素单元，一个像元由一个单光子雪崩二极管和后续的信号处理电路构成，在单片芯片上集成像元数目更大的阵列是未来发展的趋势，因此芯片对像元的面积有更高的要求，有必要对电路版图的面积进一步减小。计数电路是单光子探测器中后续信号处理电路中的关键，其作用是对单光子雪崩二极管探测到的光子数进行记录。当单光子雪崩二极管在足够大的反向电压下，一个光子就可以引发光生载流子的雪崩倍增，形成的雪崩电流在经过淬灭、整形和放大后以电压信号输入计数电路，计数电路的输出信号将用于记录探测光子的数目。

计数电路按实现方式一般可分为数字计数电路和模拟计数电路，传统的数字计数电路常采用时间数字转换器TDC(Time-to-Digital Converter)，虽然具有探测灵敏度高，噪声小等优势，但是数字计数模块规模大，一个模块需要集成上百只管子，占用芯片面积大，导致单光子雪崩二极管SPAD阵列上像素单元的填充系数较小，这使在一块芯片上实现更大的光电二极管阵列难度加大。而模拟计数电路在实现计数功能的同时不仅能保证探测的灵敏度和时间分辨率，而且使用的晶体管数目更少，大大减小了芯片占用面积，提高了像素单元的填充系数，使得其成为实现单光子雪崩二极管SPAD阵列内计数模块的首选方式。但比较传统的数字计数电路而言，模拟计数电路需要在计数范围上进一步改进。

发明内容

本发明针对传统的数字计数电路占用芯片面积大、填充系数低和传统的模拟计数电路计数范围小等问题，提出了一种模拟计数电路，可用于单光子探测器，利用低压下工作的电流镜放电，能够实现比一般模拟计数电路更大的输出电压摆幅，扩大了计数范围。

本发明的技术方案为：

一种用于单光子探测器的模拟计数电路，包括脉冲整形单元、电流镜单元、复位单元和电压跟随器，

所述脉冲整形单元的输入端作为所述模拟计数电路的输入端，其输出端连接所述电流镜单元的输入端；

所述复位单元的输入端连接复位信号Vres，其输出端连接所述电流镜单元的输出端和所述电压跟随器的输入端；

所述电流镜单元包括第一NMOS管M1、第二NMOS管M2、第三NMOS管M3、第四NMOS管M4和第五NMOS管M5，

第一NMOS管M1的栅极作为所述电流镜单元的输入端，其漏极连接电源电压VDD，其源极连接第二NMOS管M2的漏极以及第三NMOS管M3和第五NMOS管M5的栅极；