一种超低阈值的门控淬灭电路的制作方法

本发明涉及一种淬灭电路，属于电路技术领域。

背景技术：

激光雷达是一种可以精确快速地获取地面或大气三维空间信息的主动探测技术，可以用来进行测距测角等，因此其在军事和民用领域到了广泛的应用。采用传统大面阵探测器的非扫描成像激光雷达是基于线性apd(avalanchephotodiode)原理，它能够以很高的速率成像,但是需要大功率激光器照射目标,所以作用距离不会太远。

当apd两端的偏置电压大于雪崩击穿电压时(过反偏状态)，一个光生载流子即能触发极大增益的自持式雪崩电流，即apd工作在盖革模式。这种由单个光生载流子快速触发产生的可探测雪崩电流，使得apd可实现单光子的有效探测。因此，基于大面阵盖格(gm)apd的激光雷达不仅成像速度快，可以时时捕捉动态目标，而且可以作用非常远的距离，实现超远距离成像。工作在盖格模式下的高灵敏度apd称为单光子雪崩二极管(singlephotoavalanchediode,spad)。

大面阵的spad探测器需要配套大面阵激光雷达读出电路，而目前国内激光雷达读出电路还是以分立器件为主，因此规模很小，分辨率及成像速率较低。当面阵规模达到64x64像素单元甚至更高时，激光雷达读出电路只能采用单片集成的方法实现。基于标准的cmos工艺实现大面阵激光雷达读出电路芯片，可以缩小控制系统的体积、减轻重量、降低功耗、提高抗干扰能力、增加可靠性，在实现对目标高帧频率捕获的同时获得高精度的时间分辨率。

当spad处于过反偏时,由于光子的触发，spad会产生自持续电流。如果不采取任何抑制措施,雪崩过程将会持续下去直至器件永久性损坏。所以通常在雪崩倍增效应发生后需要快速降低spad两端的电压来抑制雪崩。

spad淬灭电路的作用就是快速检测到雪崩电流并提取出一个标准的数字信号,同时减小spad的反偏电压至雪崩电压以下，进而淬灭雪崩电流。淬灭电路的性能直接影响探测系统的整体。

技术实现要素：

受现有spad材料性能和国内加工手段的限制，单光子触发近ma级的电流很难实现；同时考虑面阵spad雪崩击穿电压的不一致一致性，有的像素单元光子触发电流可能会不足0.1ma。这样，传统门控淬灭电路难以淬灭雪崩电流或响应时间很长，增加了死时间。本发明为了解决现有的技术问题，提供一种超低阈值门控淬灭电路，可以检测微弱的雪崩电流信号。同传统的电阻被动淬灭、主动和混合淬灭控制方式相比，门控方式可以使spad只在短暂的时闻内工作于过反偏模式下，因而提高了spad的使用寿命和可靠性，且效降低器件暗计数率。

为解决上述技术问题，本发明提供一种超低阈值的门控淬灭电路，其特征是，包括充电管mos管m2、淬灭管mos管m1、mos管m3、m4、m5、m6、m7、m8、m9、m10和m11；

mos管m2与mos管m1的漏极共连至a点及mos管m3的源极；mos管m1的源极接电源vdd；mos管m2的源极接地；mos管m2的栅极接arm信号；mos管m1的栅极接e点作为淬灭电路的输出stop，同时连接至mos管m11的漏极、mos管m4的漏极及恒流源i的输出端，恒流源i的输入端连接至电源add；mos管m3的栅极接信号，mos管m3的漏极连接至b点及mos管m7的源极、mos管m5的漏极，mos管m5源极接地；mos管m11的源极接电源add，mos管m11的栅极接信号；mos管m4源极接地，mos管m4的栅极接d点及mos管m7、m9漏极共接点；mos管m9的源极接电源vdd，mos管m9的栅极连接点c及mos管m10的栅极和漏极、mos管m8的漏极，mos管m10的源极接电源vdd；mos管m7的栅极与mos管m8的栅极、mos管m5的栅极与mos管m6的栅极共连接至vc，mos管m8的源极连接至mos管m6的漏极，mos管m6的源极接地。

a点通过铟柱与spad连接。

arm信号经过反相器后输出信号。

mos管m9和m10的宽长比相等。

mos管m7宽长比是mos管m8的n倍，n>1。

mos管m5宽长比是mos管m6的n倍，n>1。

一种超低阈值的门控淬灭电路，其特征是，包括充电管mos管m2、淬灭管mos管m1、mos管m4、m5、m6、m7、m8、m9、m10、m11、m12、m13和m14；

mos管m2与mos管m1的漏极共连至a点；mos管m1的源极接电源vdd；mos管m2的源极接地；mos管m2的栅极接arm信号；mos管m1的栅极接e点作为淬灭电路的输出stop，同时连接至mos管m11的漏极、mos管m4的漏极及恒流源i的输出端，恒流源i的输入端连接至电源add；mos管m7的源极、mos管m5的漏极共连至b点，经b点与a点相连；mos管m5源极与mos管m13的漏极连接，mos管m13的源极接地，mos管m13的栅极连接至e点；mos管m11的源极接电源add，mos管m11的栅极接信号；mos管m4源极连接至mos管m12的漏极，mos管m12的栅极接信号，mos管m12的源极接地，mos管m4的栅极接d点及mos管m7、m9漏极共接点；mos管m9的源极接电源vdd，mos管m9的栅极连接点c及mos管m10的栅极和漏极、mos管m8的漏极，mos管m10的源极接电源vdd；mos管m7的栅极与mos管m8的栅极、mos管m5的栅极与mos管m6的栅极共连接至vc，mos管m8的源极连接至mos管m6的漏极，mos管m6的源极连接至mos管m14的漏极，mos管m14的栅极接电源vdd，mos管m14的源极接地。

mos管m13宽长比是mos管m14的n倍，n>1。

a点通过铟柱与spad连接。

arm信号经过反相器后输出信号。

本发明所达到的有益效果：

本发明的超低阈值门控淬灭电路，可以检测微弱的雪崩电流信号。同传统的电阻被动淬灭、主动和混合淬灭控制方式相比，门控方式可以使spad只在短暂的时闻内工作于过反偏模式下,因而提高了spad的使用寿命和可靠性，且效降低器件暗计数率。本发明的门控淬灭电路在可以把光(暗)载流子触发的雪崩电流瞬间放大至超过一个nmos阈值电压，使spad两端的电压由雪崩击穿电压以上降至雪崩击穿电压以下，进而淬灭雪崩电流。与传统的电压放大相比较，本发明电路的响应时间更短，因而更能有效降低死时间和后脉冲效应。

附图说明

图1本发明的一实施例的淬灭电路；

图2淬灭电路的时序图；

图3本发明的另一实施例的淬灭电路。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例1

大面阵激光雷达每个像素单元均包括一个读出电路单元和一个对应的spad探测器单元。其中，读出电路单元由淬灭电路和计时电路组成。spad的阳极通过铟柱与淬灭电路相连接，spad的阴极外接反偏电压vb，淬灭电路的输出stop为计时电路的计时停止标志。

本发明的淬灭电路如图1所示，包括充电管mos管m2、淬灭管mos管m1、mos管m3、m4、m5、m6、m7、m8、m9、m10和m11。mos管m2与mos管m1的漏极共连至a点及mos管m3的源极，经a点通过铟柱与spad连接；mos管m1的源极接电源vdd；mos管m2的源极接地；mos管m2的栅极接arm信号；mos管m1的栅极接e点作为淬灭电路的输出stop，同时连接至mos管m11的漏极、mos管m4的漏极及恒流源i的输出端，恒流源i的输入端连接至电源add。mos管m3的栅极接arm信号经过反相器后输出的信号，mos管m3的漏极连接至b点及mos管m7的源极、mos管m5的漏极，mos管m5源极接地；mos管m11的源极接电源add，mos管m11的栅极接arm信号经过反相器后输出的信号；mos管m4源极接地，mos管m4的栅极接d点及mos管m7、m9漏极共接点；mos管m9的源极接电源vdd，mos管m9的栅极连接点c及mos管m10的栅极和漏极、mos管m8的漏极，mos管m10的源极接电源vdd。mos管m7的栅极与mos管m8的栅极、mos管m5的栅极与mos管m6的栅极共连接至vc点，mos管m8的源极连接至mos管m6的漏极，mos管m6的源极接地。

其中，vc点是mos管m5、m6、m7和m8栅极的偏置电压。

淬灭电路主要设计要点为：

(1)mos管m2为充电管，m1为淬灭管。

(2)mos管m9和m10的宽长比相等。mos管m7宽长比是m8的n倍，m5宽长比是m6的n倍(n>1)。保证稳态下高阻抗节点d的电压为低。

(3)恒流源i的电流很小，避免e点出现不定态。

结合图2，外部信号start的上升沿到来时，计时开始。arm为spad充电信号，其高电平持续仅几个纳秒，然后arm为低；arm信号经过反相器输出arm为高期间，电路给spad充电，使其处于过偏状态。arm由高至低后，spad充电结束，处于准备探测阶段。当光(暗)载流子到来且由spad转换为一定的电流信号时，淬灭电路的输出stop(e点)由高变低。计时电路以start的上升沿做为计时开始的标志，以stop的下降沿做为计时停止的标志，则start的上升沿和stop的下降沿之间的长度即为目标的距离值。

工作过程如下：

(1)当arm＝1，spad充电阶段。

arm＝1，m2的栅压为高，a点电压被拉至地，spad处于过反偏状态，其反偏电压为vb(vb>0)。因e点电位为高，淬灭管m1的栅压为高，因而m1关断。

(2)当arm＝0，准备探测阶段。

arm＝0，m2的栅压为低，m2关断；m3导通，a点电压等于b点电压。因为d为低电位，m4关断，e电位由于恒流源i的上拉为vdd，避免不定态的出现。

(3)淬灭阶段。

适当选择vdd和vb的大小，使vb大于spad的雪崩击穿电压，同时保证(vb-vdd)小于spad的雪崩击穿电压；vc为m5、m6、m7和m8的栅极偏置电压。

当光(暗)载流子触发spad产生雪崩电流，该电流给节点a充电，a点电压通过开关m3传输到b，b点电压经过放大传输到d点，当d电压大于m4的阈值时，m1开启。a点电压升高到vdd，spad的反偏电压由vb降至(vb-vdd)。则pad雪崩状态被淬灭；同时，stop由高变低，标志计时结束。当计时结束，start＝0，探测完成。直到系统复位进行下次光子探测，则重复上述过程。

设m9的沟道电阻为r9，m7的跨导为gm7，m4的阈值电压为vth4,则a点的淬灭电压最小阈值仅为：vth4/(gm7*r9)，此电压是传统淬灭电压1/(gm7*r9)倍；同时，由b点到d点的电压放大为同相放大，速度较快。而传统的电压放大需要电流镜像，相位发生180度反转，产生较大的响应时间延迟。

实施例2

在实施例1的基础上，本实施例中，增加mos管m13和m14，m13宽长比是m14的n倍(n>1)；增加mos管m12，同时去掉mos管m3。

mos管m13的栅极电压为e，m14的栅极电压为电源vdd；m12的栅极电压为

增加的mos管m13可以进一步缩短光(暗)载流子淬灭时间。

其余与实施例1相同。

具体电路如图3所示，包括充电管mos管m2、淬灭管mos管m1、mos管m4、m5、m6、m7、m8、m9、m10、m11、m12、m13和m14；

mos管m2与mos管m1的漏极共连至a点；mos管m1的源极接电源vdd；mos管m2的源极接地；mos管m2的栅极接arm信号；mos管m1的栅极接e点作为淬灭电路的输出stop，同时连接至mos管m11的漏极、mos管m4的漏极及恒流源i的输出端，恒流源i的输入端连接至电源add；mos管m7的源极、mos管m5的漏极共连至b点，经b点与a点相连；mos管m5源极与mos管m13的漏极连接，mos管m13的源极接地，mos管m13的栅极连接至e点；mos管m11的源极接电源add，mos管m11的栅极接信号；mos管m4源极连接至mos管m12的漏极，mos管m12的栅极接信号，mos管m12的源极接地，mos管m4的栅极接d点及mos管m7、m9漏极共接点；mos管m9的源极接电源vdd，mos管m9的栅极连接点c及mos管m10的栅极和漏极、mos管m8的漏极，mos管m10的源极接电源vdd；mos管m7的栅极与mos管m8的栅极、mos管m5的栅极与mos管m6的栅极共连接至vc，mos管m8的源极连接至mos管m6的漏极，mos管m6的源极连接至mos管m14的漏极，mos管m14的栅极接电源vdd，mos管m14的源极接地。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。