雪崩二极管装置和控制雪崩二极管装置的方法与流程

本专利申请涉及一种雪崩二极管装置和用于控制雪崩二极管装置的方法。

雪崩二极管是高度敏感的光学器件。通常，雪崩二极管实现为单光子雪崩二极管，缩写为spad。spad能够用于检测光子撞击光学器件时的时刻。spad能够在称为geiger的模式下工作。在geiger的模式下spad以高于雪崩二极管的击穿电压的偏置电压反向偏置。当光子撞击spad时，由于非常高的电场，产生电子空穴对和非常高且短的电流脉冲。spad的性能取决于偏置电压比击穿电压高多少。spad的偏置电压vhv能够表示为vhv＝vbd+vex，其中vhv是雪崩二极管的偏置电压值，vbd是雪崩二极管的击穿电压值，vex是过偏置电压值。

本专利申请的目的是提出一种雪崩二极管装置和用于控制雪崩二极管装置的方法，该方法能够控制过偏置电压。

该目的将通过独立权利要求的主题来实现。在从属权利要求中定义了进一步的实施例和改进。

在实施例中，雪崩二极管装置包括雪崩二极管、锁存比较器和猝熄电路。雪崩二极管耦合到第一电压端子和第一节点。锁存比较器具有耦合到第一节点的第一输入、用于接收参考电压的第二输入和用于接收比较器使能信号的使能输入。猝熄电路耦合到第一节点。

有利地，当光子撞击雪崩二极管时，能够在第一节点处分接过偏置电压。能够通过锁存比较器将过偏置电压和参考电压进行比较。在没有光子撞击雪崩二极管的情况下，在第一节点处分接的节点电压非常低，并且因此低于参考电压。

有利地，能够通过比较器使能信号将锁存比较器设置为激活的。因此，锁存比较器仅在需要比较锁存比较器的第一输入和第二输入处的电压期间进行操作，即，在光子引起电流流入雪崩二极管不久之后。因此，在大部分时间期间，通过比较器使能信号将锁存比较器设置为空闲状态，能够将雪崩二极管装置的功耗保持为较低。

在实施例中，雪崩二极管连接到第一电压端子和第一节点。锁存比较器的第一输入连接到第一节点。猝熄电路连接到第一节点。雪崩二极管具有连接到第一节点的阳极和连接到第一电压端子的阴极。

雪崩二极管实现为单光子雪崩二极管，缩写为spad。

在实施例中，雪崩二极管装置包括数字控制电路，该数字控制电路具有耦合到第一节点的节点输入和耦合到锁存比较器的使能输入的使能输出。数字控制电路的节点输入可以连接到第一节点。数字控制电路的使能输出可以连接到锁存比较器的使能输入。

在实施例中，数字控制电路根据第一节点处分接的节点电压产生比较器使能信号。

有利地，能够通过数字控制电路将锁存比较器设置为激活的和非激活的。因此，在大部分时间期间，通过将锁存比较器设置为空闲状态，能够将雪崩二极管装置的功耗保持为较低。在有很多光的情况下，第一节点处的节点电压具有较高的值，该较高的值高于提供给锁存比较器的参考电压。通过将数字控制电路连接到锁存比较器的使能输入，实现在很多光的情况下锁存器不执行比较。

在另外的改进中，数字控制电路包括反相器，所述反相器具有耦合到节点输入的输入和耦合到使能输入的输出。反相器的输入可以连接到节点输入。反相器可以检测光子事件。当光子撞击雪崩二极管时，第一个节点处的节点电压上升，并且一旦节点电压变得高于反相器的阈值电压，反相器输出处的信号就会改变其逻辑值。

在实施例中，数字控制电路包括触发器，所述触发器具有耦合到反相器的输入和耦合到使能输出的输出。触发器的输出可以连接到使能输出。

在实施例中，雪崩二极管装置包括分压器，所述分压器将第一节点耦合到第二电压端子，其中分压器的分压器抽头耦合到锁存比较器的第一输入。分压器的分压器抽头可以连接到锁存比较器的第一输入。有利地，将从节点电压导出的电压施加到锁存比较器的第一输入。有利地，通过分压器减小在触发事件的情况下提供给锁存比较器的电压。

在实施例中，雪崩二极管装置包括带隙电路，所述带隙电路耦合到锁存比较器的第二输入。因此，带隙电路产生参考电压。带隙电路也可以连接到与雪崩二极管装置一起集成在半导体主体上的其他电路部件。

在实施例中，锁存比较器在比较器使能信号的第一逻辑值的情况下根据锁存比较器的第一输入和第二输入处的电压的比较产生比较器输出信号，而在比较器使能信号的第二逻辑值的情况下产生具有恒定值的比较器输出信号。当锁存器发生器被使能并且第一输入处的电压低于参考电压时，该恒定值可以与锁存比较器产生的值相同。通常，常数值可以是逻辑值0，用0伏表示。

比较器使能信号可以具有脉冲形式。在脉冲期间，比较器使能信号具有第一逻辑值。在脉冲之外，比较器使能信号具有第二逻辑值。

在实施例中，锁存比较器包括：第一输入晶体管，所述第一输入晶体管具有耦合到或连接到锁存比较器的第一输入的控制端子，第二输入晶体管，所述第二输入晶体管具有耦合到或连接到锁存比较器的第二输入的控制端子。锁存比较器包括电流源晶体管，所述电流源晶体管具有耦合到或连接到锁存比较器的使能输入的控制端子，并且具有耦合到或连接到第一输入晶体管的第一端子和第二输入晶体管的第一端子的第一端子。当具有第二逻辑值的比较器使能信号将电流源晶体管设置为非导通状态时，没有电流可以流过锁存比较器，从而降低雪崩二极管装置的功耗。

在实施例中，锁存比较器包括第一控制晶体管，所述第一控制晶体管具有耦合到或连接到锁存比较器的使能输入的控制端子和耦合到或连接到锁存比较器的比较器输出的第一端子。由锁存比较器在比较器输出处提供比较器输出信号。第一控制晶体管的第二端子可以连接到电源电压端子。能够在电源电压端子处分接电源电压。当具有第二逻辑值的比较器使能信号将第一控制晶体管设置为导通状态时，第一控制晶体管可以将电源电压提供给比较器输出。

雪崩二极管装置可以包括耦合到第一电压端子的偏置电压发生器。偏置电压发生器可以连接到第一电压端子。偏置电压发生器可以产生偏置电压，所述偏置电压施加到第一电压端子。偏置电压发生器能够以不同形式实现，如电荷泵、dc-dc转换器、ac-dc转换器等。

雪崩二极管装置可以包括控制电路，所述控制电路具有耦合到或连接到比较器输出的第一输入和耦合到或连接到偏置电压发生器的控制输入的控制输出。

在实施例中，偏置电压发生器和控制电路配置为在锁存比较器的比较器输出信号指示锁存比较器的第一输入处的电压小于参考电压的情况下，增加偏置电压。

在实施例中，雪崩二极管装置包括数字单元电路，该数字单元电路具有耦合到比较器输出的第一输入和第一输出，该第一输出用于提供耦合到控制电路的第一输入的第一输出信号。数字单元电路根据比较器输出信号产生第一输出信号。偏置电压发生器和控制电路配置为在数字单元电路的输出信号指示锁存比较器的第一输入处的电压小于参考电压的情况下，增加偏置电压。

猝熄电路可以包括猝熄电阻器，所述猝熄电阻器耦合到或连接到第一节点和第二电压端子。猝熄电路可以可选地包括猝熄开关，所述猝熄开关将猝熄电阻器耦合到第一节点或将猝熄电阻器耦合到第二电压端子。

猝熄电路可以包括复位电阻器和复位开关的串联电路。所述串联电路耦合到或连接到第一节点和第二电压端子。

雪崩二极管装置实现为过电压监视电路。

在实施例中，雪崩二极管装置依赖于调节偏置电压的连续步骤。雪崩二极管装置不监视击穿电压，而是直接监视spad的过偏置电压。在每个测量周期中，只有一个测量。雪崩二极管装置不具有静态功耗。雪崩二极管装置在功耗方面可以非常有效。有利地，能够实现低功率设计。雪崩二极管装置将spad的过偏置电压直接与期望参考电压进行比较。过偏置电压的测量精度仅取决于串扰和锁存比较器的性能。雪崩二极管装置可以没有用于检测spad何时触发的附加电路。spad阳极上的电压不仅是在其上存储过偏置电压的电压。它也是针对锁存比较器将该电压与参考电压进行比较的信号事件。有利地，电路大部分是数字的。

在实施例中，雪崩二极管装置可以没有用于存储测量结果的附加元件。锁存器比较器的工作原理类似于锁存器。它存储测量值，直到电路复位。

在实施例中，用于控制雪崩二极管装置的方法包括：

-在第一节点处产生节点电压，所述第一节点经由雪崩二极管耦合到第一电压端子并且经由猝熄电路耦合到第二电压端子，

-将所述节点电压或从所述节点电压得到的电压提供给锁存比较器的第一输入，

-将参考电压提供给所述锁存比较器的第二输入，

-将比较器使能信号提供给所述锁存比较器的使能输入，并且

-根据所述锁存比较器的第一输入和第二输入处的电压以及比较器使能信号产生比较器输出信号。

锁存比较器的第一输入和第二输入处的电压可以是节点电压或从节点电压导出的电压以及参考电压。

在实施例中，锁存比较器在比较器使能信号的第一逻辑值的情况下根据锁存比较器的第一输入和第二输入处的电压的比较产生比较器输出信号，而在比较器使能信号的第二逻辑值的情况下产生具有恒定值的比较器输出信号。

在实施例中，节点电压提供给数字控制电路的节点输入。数字控制电路根据节点电压产生比较器使能信号。

在实施例中，雪崩二极管装置执行包括一系列测量周期的校准阶段。偏置电压提供给第一电压端子并且在该一系列测量周期中的第一测量周期期间具有预定值。如果比较器使能信号在测量周期期间具有第一逻辑值，并且锁存比较器在测量周期期间不产生比较器输出信号的脉冲，则在该一系列测量周期中的每个测量周期之后，偏置电压以预定的阶跃增加。

在实施例中，如果锁存比较器在测量周期期间产生比较器输出信号的脉冲，则偏置电压保持恒定。偏置电压的恒定值可以在校准阶段之后的测量阶段中使用。

有利地，比较器输出信号的脉冲指示偏置电压足够高，使得过电压高于过电压的预定值。

以下对示例性实施例的附图的描述可以进一步示出和解释专利申请的各方面。具有相同结构和相同效果的设备和电路部分，分别具有相同的附图标记。到目前为止，相对其它的功能不同的设备或者电路部分在不同附图中的功能，描述在不同附图中不再重复。

图1a至1d示出雪崩二极管装置的示例性实施例；

图2a至图2d示出猝熄电路的示例性实施例；

图3示出锁存比较器的示例性实施例；

图4示出数字控制电路的示例性实施例；

图5a至5c示出在雪崩二极管装置中分接的示例性信号；以及

图6示出雪崩二极管装置的另外的示例性实施例。

图1a示出雪崩二极管装置10的示例性实施例，该雪崩二极管装置10包括雪崩二极管11、锁存比较器12和猝熄电路13。雪崩二极管11实现为单光子雪崩二极管，缩写为spad。雪崩二极管11耦合到雪崩二极管装置10的第一电压端子14和雪崩二极管布置10的第一节点15。雪崩二极管11的阳极可以连接到第一节点15，而雪崩二极管11的阴极可以连接到第一电压端子14。猝熄电路13耦合到第一节点15。锁存比较器12包括耦合到第一节点15的第一输入16。此外，锁存比较器12包括第二输入17。锁存比较器12的第一输入16可以实现为同向输入，锁存比较器的第二输入17可以实现为反相输入。

雪崩二极管装置10包括数字控制电路18，该数字控制电路具有耦合到第一节点15的节点输入19。数字控制电路18的使能输出20连接到锁存比较器12的使能输入21。数字控制电路18的控制输出22耦合到猝熄电路13的输入。可选地，节点电容器37将第一节点15耦合到第二电压端子38。第二电压端子38可以是参考电位端子或接地端子。

雪崩二极管11的阳极可以直接且永久地连接到第一节点15。雪崩二极管11的阴极可以直接且永久地连接到第一电压端子14。猝熄电路13可以直接且永久地连接到第一节点15。相应地，锁存比较器12的第一输入16可以直接且永久地连接到第一节点15。

另外，数字控制电路18的节点输入19可以直接且永久地连接到第一节点15。

雪崩二极管装置10包括数字单元电路23，该数字单元电路具有耦合到锁存比较器12的比较器输出24的第一输入。数字单元电路23的第一输入可以直接且永久地连接到比较器输出24。数字单元电路23可以具有耦合到锁存比较器12的另外的比较器输出84的第二输入。数字单元电路23的第二输入可以直接且永久地连接到锁存比较器12的另外的比较器输出84。数字单元电路23包括一个以上的数字单元。数字单元可以是“或非”门、“与非”门、反相器、触发器、锁存器或延迟电路。数字单元电路23具有第一输出25。此外，数字单元电路23可以具有第二输出26和控制输入27。

数字控制电路18可以包括第一控制输入28至第三控制输入30。雪崩二极管装置10包括多个端子33至36。端子33至36可以实现为引脚或焊盘。雪崩二极管装置10的第一端子33连接到数字单元电路23的控制输入27和数字控制电路18的第一控制输入28。雪崩二极管装置10的第二端子34连接到数字控制电路18的第二控制输入端29。雪崩二极管装置10的第三端子35连接到数字控制电路18的第三控制输入30。

偏置电压vhv提供给第一电压端子14。偏置电压vhv施加到雪崩二极管11的阴极。在第二电压端子38处分接接地电位或参考电位。偏置电压vhv相对于参考电位是正电压。在第一节点15处，提供节点电压van。在雪崩二极管11的阳极处分接节点电压van。偏置电压vhv和节点电压van之间的差施加在雪崩二极管11的阴极和阳极之间。节点电压van提供给猝熄电路13和数字控制电路18的节点输入19。节点电压van施加到锁存比较器12的第一输入16。参考电压vref提供给锁存比较器12的第二输入17。根据锁存比较器12的第一输入16处分接的电压和该锁存比较器的第二输入17处分接的电压的比较，锁存比较器12产生比较器输出信号sco。因此，比较器输出信号sco取决于节点电压van和参考电压vref的比较。在比较器输出24处提供比较器输出信号sco。根据锁存比较器12的第一输入16处分接的电压和该锁存比较器的第二输入17处分接的电压的比较，锁存比较器12产生另外的比较器输出信号scp。因此，另外的比较器输出信号scp取决于节点电压van和参考电压vref的比较。在另外的比较器输出84处提供另外的比较器输出信号scp。

在光子撞击雪崩二极管11的情况下，节点电压van等于过偏置电压vex。过偏置电压vex也能够称为过电压。锁存比较器12将雪崩二极管11的过偏置电压vex与参考电压vref进行比较，该参考电压可以是过偏置电压vex的期望值或预定值。

数字控制电路18产生比较器使能信号clk。从数字控制电路18经由使能输出20将比较器使能信号clk提供给锁存比较器12的使能输入21。因此，比较器输出信号sco也取决于比较器使能信号clk。在比较器使能信号clk的第一逻辑值的情况下，比较器输出信号sco取决于锁存比较器12的第一输入16处和第二输入17处的电压的比较。在比较器使能信号clk的第二逻辑值的情况下，比较器输出信号sco是恒定的。比较器使能信号clk的第一逻辑值可以是1，而比较器使能信号clk的第二逻辑值可以是0。另外的比较器输出信号scp也取决于比较器使能信号clk。当锁存比较器12触发时，比较器输出信号sco和另外的比较器输出信号scp中的一个具有第一逻辑值，而另一个具有第二逻辑值。

比较器输出信号sco提供给数字单元电路23的第一输入。数字单元电路23在第一输出25处产生第一输出信号out。第一输出信号out取决于比较器输出信号sco。在数字单元电路23的第二输出26处产生第二输出信号out_v。第二输出信号out_v指示光子的有效撞击，例如在测量周期期间雪崩二极管11上的光子的撞击。第二输出信号out_v可以独立于比较器输出信号sco。

另外的比较器输出信号scp提供给数字单元电路23的第二输入。数字单元电路23根据比较器输出信号sco和另外的比较器输出信号scp确定第一输出信号out和第二输出信号out_v的值。

在雪崩二极管装置10的第一端子33处，能够分接复位信号reset_n。复位信号reset_n提供给数字控制电路18的第一控制输入28和数字单元电路23的控制输入27。在雪崩二极管装置10的第二端子33处，能够分接控制信号a1p0，该控制信号提供给数字控制电路18的第二控制输入29。在雪崩二极管装置10的第三端子35处，提供另外的控制信号lo_s，并且因此将该控制信号施加到数字控制电路18的第三控制输入30。另外的控制信号lo_s可以是lock_state信号。使能信号en提供给雪崩二极管装置10的第四端子36。

锁存比较器12能够实现为时钟比较器或动态比较器。锁存比较器12不连续操作。锁存比较器12仅在比较器使能信号clk的脉冲期间操作。比较器使能信号clk也可以称为触发信号或时钟信号。但是，比较器使能信号clk的脉冲仅在节点电压van的上升之后产生。比较器使能信号clk不是由振荡器产生的。

或者，偏置电压vhv相对于参考电位为负电压。

图1b示出图1a所示的雪崩二极管装置10的示例性信号。信号显示为时间t的函数。在操作开始时，复位信号reset_n具有逻辑值1。在第一时间点t1，光子撞击雪崩二极管11。节点电压van在第一时间点t1之前具有值0v，并且由于光子撞击雪崩二极管11而迅速上升。节点电压van上升到第一值v1。由于节点电压van提供给数字控制电路18的节点输入19，因此数字控制电路18产生比较器使能信号clk。

比较器使能信号clk的脉冲在第一时间点t1之后的第二时间点t2处开始。由于数字控制电路18内部的电路部件，在节点电压van的上升和比较器使能信号clk的脉冲之间存在数字延迟时间δt。因此，第二时间点t2等于第一时间点t1加上数字延迟时间δt。在第二时间点t2之后，锁存比较器12产生比较器输出信号sco(未示出)，并将其提供给数字单元电路23。在节点电压van高于参考电压vref的情况下，数字单元电路23产生具有第一逻辑值的第一输出信号out，例如，具有值1。类似地，在节点电压van小于参考电压vref的情况下，数字单元电路23产生具有第二逻辑值的第一输出信号out，例如，值0。另外，数字单元电路23产生第二输出电压out_v。

spad11检测光子撞击光学传感器的时刻。spad11在geiger模式下工作。因此，spad11以高于击穿电压vbd的偏置电压vhv反向偏置。当光子撞击spad11时，产生电子空穴对，并且由于非常高的电场，产生非常短的高峰值电流脉冲。spad11的性能取决于偏置电压vhv比击穿电压vbd高多少。spad11的偏置电压vhv能够表示为vhv＝vbd+vex，其中vhv是spad11的反向偏置电压，vbd是spad11的击穿电压，vex是过偏置电压。像缩写为dcr的暗计数率，缩写为pdp的光子检测概率，缩写为ap的冲后(afterpulsing)和定时抖动之类的spad参数取决于过偏置电压vex。因为击穿电压vbd取决于温度，所以对于固定的偏置电压vhv，如果温度改变，则过偏置电压vex改变。在时间相关的单光子计数(tcspc)应用和飞行时间(tof)应用中，对于不同的温度条件，使spad参数保持恒定非常重要。如果对于恒定的vhv和不同的温度条件不是这种情况，则pdp、dcr、ap将改变，并且在测量中将引入系统定时抖动。

有利地，雪崩二极管装置10监视spad11的过偏置电压vex，并将其与参考电压vref进行比较。偏置电压vhv以最低可能值开始，该最低可能的值用特定工艺中spad11的最小击穿电压来限定。能够根据spad特性测量来估算该开始电压。在每个测量周期中，偏置电压vhv以预定电压阶跃增加。当第一输出信号out变为逻辑值1时，达到偏压vhv的目标值。

雪崩二极管装置10实现具有过偏置参考电压和主动复位模式的电路实现。当使能信号en＝0时，雪崩二极管装置10截止。当使能信号en＝1时，雪崩二极管装置10导通。spad11使用无源猝熄器13。spad11能够以主动或被动复位模式复位。两种模式由控制信号a1p0控制。逻辑值为1的控制信号a1p0激活主动复位模式。逻辑值为0的控制信号a1p0激活被动复位模式。图2a示出被动复位模式。图2b和图2c可示出主动复位模式。

输入引脚33处的信号reset_n在每个测量周期之前复位锁存比较器12。当信号reset_n＝0时，输出信号out_v和out设置为0，并且锁存比较器12的寄生节点充电至电源电压vdd。

另外的控制信号lo_s阻止在使能或复位阶段期间能够触发锁存比较器12的任何光事件。在另外的控制信号lo_s＝0(见图5c)期间，锁存比较器12已经准备好进行测量，并且它等待光事件来触发spad11。如果spad11触发，则来自spad11的电荷开始流过猝熄电路13。因为偏置电压vhv＝恒定值，并且spad11上(阴极和阳极之间)的电压由于结电容的放电而滚降，所以spad阳极上的电压将从0增加到vex。当spad11上的电压变为等于击穿电压vbd时，spad11猝熄(电流i＝0)。在该时间点，阳极上的电压变为超量电压vex，因为vhv＝vbd+vex。

当雪崩二极管装置10处于主动复位模式(控制信号a1p0＝1)且另外的控制信号lo_s＝0时，在发生光事件后spad11将触发，并且在很短的时间内阳极电压van将从0跳升至过电压vex。这也是数字控制电路18切断从阳极到接地38的电流路径的信号。这将使阳极寄生电容上的电压将保持在过电压vex，直到数字控制电路18激活图2b中所示的主动复位开关63或图2c中所示的开关63、65并将该节点放电至接地38。在spad11猝熄期间(停滞时间δt3)，阳极上的电压van是过电压vex。停滞时间δt3应足够长，以使锁存比较器12具有足够的时间进行比较。

当雪崩二极管装置10处于被动复位模式(控制信号a1p0＝0)且另外的控制信号lo_s＝0，并且spad11已触发时，在很短时间内，阳极上的电压van将再次从0v跳升至过电压vex，然后它将立即开始滚降。为了在spad11的阳极上提供几乎平坦的电压变化，通过无源猝熄电路13的电流应该低。

spad11的rc恒定值通常很小，并且通过数字控制电路18的数字延迟时间δt总是比阳极上的电压van从0v上升到过电压vex所需的时间长。这使得锁存比较器12可用于该配置。因此，在来自数字控制电路18的比较器使能信号clk触发锁存比较器12以进行比较之前，阳极上的电压van将达到过偏置电压vex。

在每个测量周期中，一旦锁存比较器12进行比较，锁存比较器就保持锁存，直到复位信号reset_n＝0或使能信号en＝0。这意味着任何其他事件都不能改变锁存比较器12的状态，或者换句话说，锁存比较器12直到测量周期结束才消耗功率。在每个测量周期的开始，将第一输出信号out和第二输出信号out_v设置为0。在锁存比较器12锁存之后，第二输出信号out_v将设置为1。这是测量已完成的信息。当第二输出信号out_v变为1时，如果节点电压van大于参考电压(van>vref)，则第一输出信号out已经稳定到逻辑值1，或者如果节点电压van小于参考电压vref(van<vref)，则第一输出信号保持在逻辑值0。在该实施例中，参考电压vref等于过电压vex的预定值，因此vref＝vex。通常，过电压vex的预定值高于2v，因此为了产生固定的参考电压vref，雪崩二极管装置10可以另外包括电压调节器电路。

图1c示出雪崩二极管装置10的另外的示例性实施例，其是图1a和1b中描述的实施例的进一步改进。雪崩二极管装置10包括将第一节点15耦合到第二电压端子38的分压器40。分压器40的分压器抽头41连接到锁存比较器12的第一输入16。分压器40包括第一分压器元件42和第二分压器元件43。第一分压器元件42将第一节点15耦合到分压器抽头41，而第二分压器元件43将分压器抽头41耦合到第二电压端子38。第一分压器元件42和第二分压器元件43可以实现为电阻器。分压器40实现为电阻分压器。雪崩二极管装置10可以包括带隙电路44，该带隙电路耦合到锁存比较器12的第二输入17。带隙电路44的输出可以直接连接到锁存比较器12的第二输入17。

另外，雪崩二极管装置10包括控制电路46，该控制电路具有耦合到数字单元电路23的第一输出25的第一输入47。控制电路46的第二输入48耦合到数字单元电路23的第二输出26。雪崩二极管装置10包括耦合到第一电压端子14的偏置电压发生器49。因此，偏置电压发生器49在一侧上连接到第一电压端子14，而在另一侧上连接到第二电压端子38。控制电路46的控制输出50连接到偏置电压发生器49的控制输入。控制电路46可以包括微处理器51和存储器52。控制电路46可以实现为微控制器。

数字单元电路23的第一输出信号out提供给控制电路46的第一输入47。在锁存比较器12的第一输入16处的电压高于锁存比较器12的第二输入17处的电压并且产生了具有第一逻辑值的比较器使能信号clk的情况下，比较器输出信号sco才具有脉冲，并且因此第一输出信号out才具有脉冲。当比较器输出信号sco未获得脉冲并且因此第一输出信号out未获得脉冲时，过电压vex的值很小。因此，控制电路46产生控制信号scv，并且将控制信号scv提供给偏置电压发生器49的控制输入，使得偏置电压vhv以预定的电压阶跃增加。

分压器抽头电压va1在分压器抽头41处分接。分压器抽头电压va1是从节点电压van导出的电压。分压器抽头电压va1取决于节点电压van以及第一分压器元件42和第二分压器元件43的电阻值。在第一分压器元件42和第二分压器元件43具有相同的电阻值的情况下，分压器抽头电压va1的值是节点电压van的值的一半。锁存比较器12将分压器抽头电压va1与参考电压vref进行比较。参考电压vref由带隙电路44或系统或芯片中可用的另一参考电压提供。

在可替代的未示出的实施例中，第一分压器元件42和第二分压器元件43实现为晶体管。因此，分压器40能够实现为晶体管分压器。还能够以其他方式实现分压器40。

图1d示出能够在图1c所示的雪崩二极管装置10中分接的信号的另外的示例性实施例。图1d与图1b的区别在于，在图1d中示出分压器抽头电压va1。比较器输出信号sco并且因此的第一输出信号out取决于分压器抽头电压va1和参考电压vref的比较。

雪崩二极管装置10实现为具有带隙参考电压和主动复位模式的电路。当参考电压vref等于带隙电压vba，因此vref＝vba时，雪崩二极管装置10也能够工作。对于这种雪崩二极管装置10，可以设计分压器40和附加逻辑或软件支持。例如，如果需要实现vex＝3v的过电压值，则所述雪崩二极管装置能够开始扫描偏置电压vhv，并且当检测到第一输出信号out＝1时，该信息指示spad11的当前过偏置电压vex略高于2.4v(van～2.4v和va1～1.2v)。之后，能够激活支持软件或数字硬件解决方案以使偏置电压vhv再上升0.6v，以获得过电压vex的3v的目标值。原则上，能够使用与图1a相同的电路，但是当参考电压vref＝1.2v时，spad11的灵敏度要低得多。同样，如果过电压vex的预定值等于或小于2.4v，则可以使用这种拓扑而无需其他逻辑或软件支持。

图2a示出能够在图1a和1c所示的雪崩二极管装置10中使用的猝熄电路13的示例性实施例。猝熄电路13包括猝熄电阻器60，该猝熄电阻器将第一节点15耦合到第二电压端子38。猝熄电阻器60的第一端子耦合到第一节点15，而猝熄电阻器60的第二端子耦合到第二电压端子38。猝熄电阻器60的第一端子可以直接且永久地连接到第一节点15。猝熄电阻器60的第二端子可以直接且永久地连接到第二电压端子38。节点电容器37可以将第一节点15耦合到第二电压端子38。另外，雪崩二极管布置10可以包括二极管电容62，该二极管电容将雪崩二极管11的阳极耦合到雪崩二极管11的阴极。二极管电容62可以是雪崩二极管11的寄生电容。

猝熄电路13实现为无源猝熄电路。图2a示出最简单的无源猝熄电路。在光子事件之前，通过雪崩二极管11的电流i为零，因此节点电压van也为零。在光子事件之后，因为二极管电容62开始通过耗尽区放电(雪崩效应)，所以spad11上的电压开始滚降，而节点电压van增加。当雪崩二极管11上的电压达到击穿电压vbd时，雪崩二极管11猝熄(通过耗尽区的电流为零)，并且节点电压van等于过电压vex。这是在很短的时间内(皮秒范围)执行的。此后，节点电压van开始滚降，spad11上的电压增加(二极管电容62充电)。

图2b示出猝熄电路13的另外的示例性实施例。猝熄电路13还包括复位开关63和复位电阻器64。复位开关63和复位电阻器64的串联连接布置在第一节点15和第二电压端子38之间。复位开关63可以连接到第一节点15，并且复位电阻器64可以连接到第二电压端子34。复位电阻器64的电阻值ra可以小于猝熄电阻器60的电阻值rp。例如ra<<rp或ra·10<rp。光子事件之后的操作与图2a中的相同，直到第三时间点t3，在第三时间点t3，复位开关63设置为导通状态并且在很短的时间内spad11重新充电至偏置电压vhv(主动复位模式)。

在可替代的未示出的实施例中，复位开关63连接到第二电压端子38，而复位电阻器64连接到第一节点15。

图2c示出猝熄电路13的另外的示例性实施例。猝熄电路13包括猝熄开关65。猝熄电阻器60和猝熄开关65串联布置。因此，猝熄开关65和猝熄电阻器60的串联连接布置在第一节点15和第二电压端子38之间。猝熄开关65可以连接到第一节点15，而猝熄电阻器60可以连接到第二电压端子38。首先，猝熄开关65处于导通状态，而复位开关63处于非导通状态。在第一时间点t1的事件之后，当节点电压van等于过电压vex时，猝熄开关65处于非导通状态。在第一时间点t1和第三时间点t3之间，过电压vex存储在节点电容器37上。节点电容器37可以是第一节点15和第二电压端子38之间的寄生电容，所述第二电压端子可以是接地节点。或者，节点电容器37可以制造为物理部件或电路元件。在停滞时间δt3之后，猝熄开关65和复位开关63处于导通状态，并且spad11再次充电至偏置电压vhv。

在可替代的未示出的实施例中，猝熄开关65连接到第二电压端子38，而猝熄电阻器60连接到第一节点15。

在图2a至2c中，猝熄电路实现为具有主动和被动复位方法的无源猝熄器。在图2b和2c中，猝熄电路13实现为有源猝熄电路或具有主动充电模式的无源猝熄电路。

图2d示出作为时间t的函数的雪崩二极管装置10的示例性信号。在图2d中，说明了主动和被动猝熄的时序图。在第一时间点t1，如图2d的第一条线所示，光子撞击雪崩二极管11。图2d的第二条线示出图2a中所示实现的猝熄电路13的节点电压van，第三条线示出图2b中所示实现的猝熄电路13的节点电压，以及第四条线示出图2c中所示实现的猝熄电路13的节点电压。

在第一时间点t1之前，节点电压van具有0v的值。在第一时间点t1，当光子撞击雪崩二极管11时，节点电压van迅速上升到第一值v1。第一值v1等于过电压vex。光子在雪崩二极管11中引起电荷载流子的雪崩，并且因此流过反向偏置雪崩二极管11的电流i上升。电流i从第一电压端子14流过雪崩二极管11和猝熄电阻器60流到第二电压端子38，并且引起猝熄电阻器60处的电压降上升，从而引起节点电压van上升。在某个时间点，雪崩二极管11两端的电压降变得很小，以至于抑制电荷载流子的进一步雪崩。在这个时间点，通过雪崩二极管11的电流i变为零。由于节点电容器37和/或二极管电容62，节点电压van仅缓慢降低。在图2a的情况下，节点电压van的降低仅取决于猝熄电阻器60的电阻值rp。一段时间后，节点电压van接近值0v。

在图2b的情况下，数字控制电路18产生开关控制信号sw2并将其提供给复位开关63，使得复位开关63在第三时间点t3设置为导通状态。由于数字控制电路18在节点输入19处耦合到第一节点15，数字控制电路18接收关于雪崩二极管11击穿的信息，并且能够产生用于复位开关63的开关控制信号sw2。停滞时间δt3在第三时间点t3与第一时间点t1之间。在停滞时间δt3期间，第一节点15的放电由猝熄电阻器60执行。在第三时间点t3之后，通过猝熄电阻器60和复位电阻器64的并联电路执行第一节点15的放电。因此，在第三时间t3之后节点电压van快速下降到值0v。

在图2c的情况下，图2d的最后两条线示出图2c的猝熄电路中使用的猝熄开关65的开关控制信号sw1和复位开关63的开关控制信号sw2。在光子撞击雪崩二极管11之前，猝熄开关65设置为导通状态，而复位开关63设置为非导通状态。在第一时间点t1之后，猝熄开关65和复位开关63均设置为非导通状态。因此，节点电压van在停滞时间δt3期间是恒定的，并且具有过电压vex的值。在第三时间点t3之后，猝熄开关65和复位开关63均设置为导通状态。因此，节点电压van快速下降到0v。一段时间后，图2d中未示出，复位开关63再次设置为非导通状态。猝熄开关65保持在导通状态。因此，猝熄电路13准备用于下一光子撞击。数字控制电路18产生开关控制信号sw1、sw2。

图3示出能够在图1a和1c所示的雪崩二极管装置10的实施例中使用的锁存比较器12的示例性实施例。锁存比较器12包括电流源晶体管70、第一输入晶体管71和第二输入晶体管72。第一输入晶体管71具有连接到锁存比较器12的第一输入16的控制端子，而第二输入晶体管具有连接到锁存比较器12的第二输入17的控制端子。电流源晶体管70具有连接到锁存比较器12的使能输入21的控制端子。电流源晶体管70的第一端子直接连接到第一输入晶体管71的第一端子和第二输入晶体管72的第一端子。电流源晶体管70的第二端子连接到第二电压端子38。

锁存比较器12包括第一反相器73和第二反相器74。第一反相器73将电源电压端子75耦合到第一输入晶体管71的第二端子。电源电压端子75可以不连接到第一电压端子14。相应地，第二反相器74将电源电压端子75耦合到第二输入晶体管72的第二端子。第一反相器73包括第一反相器晶体管76和第二反相器晶体管77，并且第二反相器74包括第三反相器晶体管78和第四反相器晶体管79。第一反相器晶体管76和第三反相器晶体管78连接到电源电压端子75。第二反相器晶体管77连接到第一输入晶体管71的第二端子，并且第四反相器晶体管79连接到第二输入晶体管72的第二端子。第一反相器73的输出连接到第二反相器74的输入，并且第二反相器74的输出连接到第一反相器73的输入。第一反相器73的输出耦合到锁存比较器12的比较器输出24。第二反相器74的输出耦合到锁存比较器12的另外的比较器输出84。

锁存比较器12的第一比较器电容器80将第一反相器73的输出耦合到第二电压端子38。相应地，锁存比较器12的第二比较器电容器81将第二反相器74的输出耦合到第二电压端子38。第一比较器电容器80和第二比较器电容器81可以是寄生电容。锁存比较器12包括第一控制晶体管82，所述第一控制晶体管将第一反相器73的输出耦合到电源电压端子75。第一控制晶体管82的控制端子连接到锁存比较器12的使能输入21。此外，锁存比较器12包括第二控制晶体管83，所述第二控制晶体管将第二反相器74的输出耦合到电源电压端子75。第二控制晶体管83的控制端子连接到锁存比较器12的使能输入21。

能够在电源电压端子75处分接电源电压vdd。电源电压vdd是恒定电压，并且可以与偏置电压vhv不同。比较器使能信号clk提供给电流源晶体管70的控制端子。此外，比较器使能信号clk提供给第一控制晶体管82和第二控制晶体管83的控制端子。

锁存比较器12实现为对称比较器。锁存比较器12使用简称为mosfet的金属氧化物半导体场效应晶体管来实现。锁存比较器12可以没有双极晶体管。第一反相器晶体管73和第三反相器晶体管74，以及第一控制晶体管82和第二控制晶体管83实现为p沟道mosfet。第二反相器晶体管77和第四反相器晶体管79，以及第一输入晶体管71和第二输入晶体管72，以及电流源晶体管70实现为n沟道mosfet。

在比较器使能信号clk具有第二逻辑值(意味着比较器使能信号clk为低电平)的情况下，电流源晶体管70设置为非导通状态，而第一控制晶体管82和第二控制晶体管83设置为导通状态。输入端子16、17上的比较器电容器80、81预充电至电源电压vdd。因此，比较器输出信号sco是恒定的。比较器输出信号sco具有恒定逻辑值。另外的比较器输出信号scp具有比较器输出信号sco的逻辑值。比较器输出信号sco几乎具有电源电压vdd的值。

在比较器使能信号clk具有第一逻辑值(意味着比较器使能信号clk变高)的情况下，电流源晶体管70设置为导通状态，而第一控制晶体管82和第二控制晶体管83设置为非导通状态。在这种情况下，比较器使能信号clk具有高电压值，例如，3v或5v。在这种情况下，锁存比较器12被使能，并且比较器输出信号sco取决于提供给锁存比较器12的第一输入16和第二输入17的电压的差。另外的比较器输出信号scp相对于比较器输出信号sco具有相反的逻辑值。

因此，当比较器输出信号scp和另外的比较器输出信号scp具有不同的逻辑值时，数字单元电路23产生具有逻辑值为1的第二输出信号out_v，当比较器输出信号scp和另外的比较器输出信号scp具有相同的逻辑值时，该数字单元电路产生具有逻辑值为0的第二输出信号。第二输出信号out_v在比较器输出信号scp和另外的比较器输出信号scp获得不同逻辑值的时间点之后具有脉冲。

数字单元电路23可以仅根据比较器输出信号scp产生第一输出信号out。第一输出信号out在比较器输出信号scp获得脉冲的时间点之后具有脉冲。例如，第一输出信号out可以是比较器输出信号scp的反相信号。

当比较器使能信号clk变高，如果第一输入端子16处的电压例如高于第二输入端子17处的电压，通过第一输入晶体71的电流将高于通过第二输入晶体管72的电流，比较器输出24上的比较器电容器80比另外的比较器输出84上的第二比较器电容器81更快的放电。这意味着比较器输出24上的电压将比另外的比较器输出84上的电压更快的滚降。当比较器输出24上的电压等于vdd-vth，将激活正反馈。vth是p沟道mosfet的阈值电压的值。当激活正反馈时，第二反相器晶体管77和第三反相器晶体管78将处于导通状态，而第一反相器晶体管76和第四反相器晶体管79将处于非导通状态。在非常短的时间内，比较器输出24将放电至0v，而另外的比较器输出84将重新充电至电源电压vdd。直到或只要比较器使能信号clk保持为高电平，则另外的比较器输出84将保持为逻辑高电平(即，电源电压vdd)而比较器输出24将保持为逻辑低电平(0v)。

锁存比较器12实现为单尾动态比较器。

可替代地，替代单尾动态比较器，锁存比较器12能够使用双尾或另一拓扑。可替代地，锁存比较器12能够实现为在输出处具有锁存结构的前置放大器的组合。

在可替代的未示出的实施例中，锁存比较器12可以包括将第一反相器73的输出耦合到比较器输出24的反相器。锁存比较器12可以包括将第二反相器74的输出耦合到另外的比较器输出84的反相器。

图4示出能够用于图1a和1c所示的雪崩二极管装置10的实现的数字控制电路18的示例性实施例。数字控制电路18包括反相器90，所述反相器具有连接到数字控制电路的节点输入19的输入。此外，数字控制电路18包括逻辑电路91，所述逻辑电路在其输入侧上耦合到反相器90的输出。另外，数字控制电路18包括触发器92，所述触发器在其输出侧上耦合到数字控制电路18的使能输出20。触发器92可以实现为d触发器。因此，例如触发器92的q输出连接到使能输出20。反相器90的输出经由逻辑电路91耦合到触发器92的触发输入93。电源电压端子75连接到触发器92的另外的输入。电源电压端子75可以连接到触发器92的d端子。

数字控制电路18的第一控制输入28连接到触发器92的另一输入。另一输入可以实现为清除输入。逻辑电路91在其输入侧连接到数字控制电路18的第二控制输入29和第三控制输入30。逻辑电路91包括第一或非门95和第二或非门96，所述第一或非门和第二或非门各自具有连接到反相器90的输出的输入。第一或非门95的另外的输入连接到第二控制输入29。第二或非门96的另外的输入经由逻辑电路91的另外的反相器97耦合到第二控制输入29。第一或非门95和第二或非门96的输出连接到逻辑电路91的另外的门98的两个输入。另外的门98可以是或门。另外的门98的第三输入连接到第三控制输入30。另外的门98的输出连接到触发器92的输入93。可以通过在另外的或非门跟随另外的反相器来实现另外的门98。

另外，数字控制电路18包括延迟电路99，所述延迟电路在其输入侧上连接到反相器90的输出。此外，延迟电路99在其输出上连接到猝熄电路13。例如，延迟电路99可以连接到复位开关63的控制端子。延迟电路99具有另外的控制输入，所述另外的控制输入连接到第二控制输入29。根据控制信号a1p0和反相器90的输出信号，通过延迟电路99产生控制信号ar。控制信号ar可以是图2b所示的开关控制信号sw2。延迟电路99实现停滞时间δt3。停滞时间的值δt3可编程。

在光子撞击雪崩二极管11的情况下，节点电压van从0v上升到更高的值。因此，反相器90处的输出信号从高值切换到0v，即从逻辑值1切换到逻辑值0。逻辑电路91产生延迟。逻辑电路91的输出信号还从一个逻辑值切换到另一逻辑值，例如从时间点t1之前的逻辑值0切换到时间点t1之后的逻辑值1。逻辑电路91的输出信号提供给触发器92的输入93。触发器92产生比较器使能信号clk。因此，数字控制电路18在响应于提供给雪崩二极管11的光子时产生具有数字延迟时间δt的比较器使能信号clk。

当节点电压van的上升到高于预定阈值时，才产生比较器使能信号clk的脉冲。预定阈值是反相器90的阈值。有利地，节点电压van中的噪声不触发比较器使能信号clk的脉冲。

在数字控制电路18中，在测量周期的开始，d触发器92的输出重置为零(比较器使能信号clk＝0)。

在主动复位模式下，信号a1p0设置为高电平。这意味着触发器92能够通过另外的门98由另外的控制信号lo_s触发或通过逻辑门由节点电压van触发，所述逻辑门包括反相器90、或非门96和另外的门98。在测量周期期间，当另外的控制信号lo_s为低电平时，如果光子撞击spad11，则节点电压van将变为高电平。反相器90的输出将为低电平。或非门96的输出将变为高电平，在通过另外的门98之后，触发为高电平，并且比较器使能信号clk也变为高电平。

如果在测量周期期间不存在事件(节点电压van总为低电平)，当另外的控制信号lo_s在测量周期结束时返回到高电平状态时，比较器使能信号clk将设置为高电平。

在被动复位模式下，信号a1p0设置为零。现在，能够通过另外的门98由另外的控制信号lo_s输入或通过逻辑门90、95、98由节点电压van来触发触发器92。过程与主动复位模式中的过程相同。

控制信号ar变为有源/无源猝熄电路13。如果信号a1p0为高电平，在事件后，可编程的停滞时间块将激活控制信号ar，所述控制信号将复位开关63设置为图2c中的导通状态。

可替代地，逻辑电路91的另外的门98是与门而不是或门。

可替代地，逻辑电路91可以使用与非门和反相器实现，或或非门、与非门和反相器的组合来实现。

图5a示出上述雪崩二极管装置10的实施例的信号的示例性实施例。信号显示为时间t的函数。复位信号reset_n的负脉冲启动测量周期。另外的控制信号lo_s也显示出负脉冲，负脉冲在复位信号reset_n的脉冲之后开始，并在测量周期结束时终止。

如图5a所示，测量周期步骤包括：

-使能信号en应该为1。

-当复位信号reset_n＝0时，锁存比较器12的输出设置为00状态。同样，第一输出信号out＝0，并且第二输出信号out_v＝0。

-当另外的控制信号lo_s变为逻辑0时，锁存比较器12准备用于比较。当spad11触发时，第二输出信号out_v变为逻辑1，并且测量周期可以结束(lo_s返回1)。

-如果第一输出信号out为0，则偏置电压vhv增加并且执行另外的测量周期。

-如果第一输出信号out为1，则测量停止(使能信号en返回0)。

图5b示出雪崩二极管装置10的信号的另外的示例性实施例，其是上文示出的信号的实施例的进一步改进。图5b示出第一测量周期和第二测量周期。第一测量周期和第二测量周期分别以复位信号reset_n的负脉冲开始，并随着另外的控制信号lo_s的上升而停止。因为雪崩二极管装置10没有由使能信号en使能，所以用1标出的第一光子不提供任何信号。用2标出的第二光子引起节点电压van和电流消耗ico的增加。然而，因为第二光子在任何测量周期之外撞击雪崩二极管11，第一输出信号out和第二输出信号out_v不显示出脉冲。锁存比较器12对第二光子处的电流消耗ico没有贡献。

在第一测量周期期间，第三光子撞击雪崩二极管11，并且引起节点电压van和电流消耗ico的上升，并且还触发第二输出信号out_v中的脉冲。因为锁存比较器12和spad11消耗电流，所以由第三光子引起的电流消耗ico高于由第二光子引起的电流消耗ico。因为节点电压的值van低于参考电压的值vref，未示出的比较器输出电压sco和数字单元电路23的第一输出电压out不显示出脉冲。

在第二测量周期期间，第四光子撞击雪崩二极管11，从而产生第一输出信号out和第二输出信号out_v中的脉冲。因为节点电压van具有比参考电压vref高的值，所以产生输出信号out中的脉冲。在第一测量周期结束后并且在第二测量周期开始前，偏置电压vhv以预定电压阶跃增加。控制电路46可以在存储器52中存储关于偏置电压vhv的信息。因此，雪崩二极管装置10能够将偏置电压vhv的值用于测量阶段中的测量，其中该值在校准阶段使用图1b、1d和5a至5c所述的一系列测量周期来确定。测量阶段在校准阶段之后。

在图5b中，示出主动复位模式中的时序图。

-光子1：当使能信号en＝0时，雪崩二极管装置10截止，spad11不启动。

-光子2：因为使能信号en＝1，雪崩二极管11启动，但是因为另外的控制信号lo_s＝1，锁存比较器12不触发。在该时间期间复位信号reset_n变为0，比较器输出信号sco、第一输出信号out和第二输出信号out_v设置为零。电流消耗ico仅来自spad触发。

-光子3：spad11启动并且节点电压van冻结(主动复位模式)由数字控制电路18限定的停滞时间δt3。当锁存比较器12锁存时，第二输出信号out_v变为1，并且其保持为1，直到复位信号reset_n再次变为0。当检测到第二输出信号out_v时，能够读取第一输出信号out的值。因为第一输出信号out＝0(van<vref)，执行另一测量周期。与光子2的情况相比，现在的电流消耗ico更高，这是因为现在的锁存比较器12也消耗功率。

-光子4：在两个测量周期之间，偏置电压vhv已经增加。在第二测量周期之后，第一输出信号out＝1，这意味着过电压vhv的当前值足够高以用于期望的过电压偏置。此后，能够关闭雪崩二极管装置10(使能信号en＝0)，直到下次需要重新校准vhv电压。

图5c示出作为时间t函数的雪崩二极管装置10的信号的另外的示例性实施例，其是上文示出的信号的实施例的进一步改进。雪崩二极管装置10的校准阶段包括如图5c所示的一系列测量周期。在该模拟中，假设光子的规则图案。偏置电压vhv以低电压值开始，例如，0v。在区1，偏置电压vhv的值是低的，使得在光子撞击之后节点电压van保持为0或显示出较小的值。在区1中，节点电压van具有这样低的值，使得数字控制电路18的反相器90不改变其输出值。因此，第二输出信号out_v从另外的控制信号lo_s的脉冲开始仅显示出短的脉冲。在第二输出信号out_v的每个脉冲之后，偏置电压vhv的值增加。

在区2中，偏置电压vhv的值高于区1中的值。在区2中，在雪崩二极管11上的光子的撞击之后，节点电压van足以改变反相器90的输出处的信号。因此，与区1相比，第二输出信号out_v具有更长的脉冲。因为节点电压van仍然小于参考电压vref，所以数字单元电路23不产生第一输出信号out的脉冲。然而，偏置电压vhv在测量周期的每次结束之后逐步增加。

在区3中，节点电压van具有这样高的值，使得节点电压van高于参考电压vref，并且因此产生未示出的比较器输出信号中的脉冲sco和第一输出信号out中的脉冲。因此，在第一输出信号out的脉冲之后，偏置电压vhv保持恒定，并且不再增加。

在图5c中，示出测量或校准算法。偏置电压vhv以低的值开始。该值能够是spad11能够具有的击穿电压的最低可能值。或者，该值是0v。偏置电压vhv以预定的低值开始，在每个测量周期之后以恒定阶跃值增加，除非检测到第一输出信号out的脉冲。在第一输出信号out的脉冲的情况下，偏置电压vhv的增加停止。校准阶段完成。

区1：偏置电压vhv可以小于或大于击穿电压vbd(vhv<vbd或vhv>vbd)；然而，节点电压van不足够高以触发数字控制电路18。因此，锁存比较器12将在测量周期结束时(当另外的控制信号lo_s再次变高时)触发。第二输出信号out_v将是高电平，而第一输出信号out将是低电平。在另外的复位信号reset＝0期间，偏置电压vhv增加一个电压阶跃。另外的复位信号reset可以等于复位信号reset_n。

区2：节点电压van足够高以触发数字控制电路18，一旦第一光子撞击spad11，锁存比较器12就将触发。第二输出信号out_v将是高电平，而第一输出信号out将是低电平。在所述另外的复位信号reset＝0期间，偏置电压vhv增加一个电压阶跃。

区3：vhv>vbd+vex，比较器输出信号sco和数字单元电路23的两个输出信号out_v和out将均是高电平。这将是偏置电压vhv的最佳值。因此，校准阶段停止，而测量阶段可以以校准阶段中预定值的偏置电压vhv开始。

有利地，雪崩二极管装置10仅包括一个比较器。雪崩二极管装置10可以没有第二比较器。雪崩二极管装置10恰好使用一个参考电压。参考电压vref可以由参考电路发生器(在图1a中未示出)提供。或者，可以以一些可编程性存在更多参考电压。因此，能够在不同参考电压之间选择。

或者，雪崩二极管装置10可以包括第二比较器。

有利地，因为比较器实现为锁存比较器12，所以雪崩二极管装置10不具有静态功耗。雪崩二极管装置10没有数字-模拟转换器。能够使用带隙参考44。雪崩二极管装置10可以没有数字滤波器。雪崩二极管装置10实现主动和被动复位电路功能。

图6示出雪崩二极管装置10的另外的示例性实施例，其是上文所示的实施例的进一步改进。雪崩二极管装置10包括锁存比较器12和至少一个第二锁存比较器100。第二锁存比较器100包括耦合到第一节点15的第一输入101。第二锁存比较器100的第一输入101可以直接且永久地连接到第一节点15。此外，第二锁存比较器100包括第二输入102。第二锁存比较器100的第一输入101可以实现为同向输入，锁存比较器的第二输入102可以实现为反相输入(或反之亦然)。锁存比较器12和第二锁存比较器100可以形成窗口比较器。锁存比较器12可以称为第一锁存比较器。数字单元电路23可以称为第一数字单元电路。第二锁存比较器100可以像锁存比较器12一样实现。

雪崩二极管装置10包括第二数字单元电路103，该第二数字单元电路具有耦合到第二锁存比较器100的比较器输出的第一输入。第二数字单元电路103的第一输入可以直接且永久地连接到第二锁存比较器100的比较器输出。第二数字单元电路103可以具有耦合到第二锁存比较器103的另外的比较器输出的第二输入。第二数字单元电路103的第二输入可以直接且永久地连接到第二锁存比较器100的另外的比较器输出。第二数字单元电路103可以像数字单元电路23一样实现。第二数字单元电路103具有第一输出。此外，第二数字单元电路103可以具有第二输出和控制输入。

数字控制电路18的使能输出20可以连接到第二锁存比较器100的使能输入。雪崩二极管装置10的第一端子33可以连接到第二数字单元电路103的未示出的控制输入。

雪崩二极管装置10包括n个锁存比较器12、100、104。可选地，数量n可以是一个、两个或多于两个。在图6所示的示例中，数量n等于三个。因此，雪崩二极管装置10包括第n锁存比较器104。第n锁存比较器104像锁存比较器12一样实现。n个锁存比较器12、100、104中的每个包括耦合到第一节点15的第一输入16、101、105。n个锁存比较器12、100、104的第一输入16、101、105可以直接且永久地连接到第一节点15。此外，n个锁存比较器12、100、104中的每个包括第二输入17、102、106。n个锁存比较器12、100、104的第一输入16、101、105可以实现为同向输入，n个锁存比较器的第二输入17、102、106可以实现为反相输入(或反之亦然)。

数字控制电路18的使能输出20可以连接到n个锁存比较器12、100、104中的每个的使能输入。

雪崩二极管装置10包括n个数字单元电路23、103、107。因此，雪崩二极管装置10包括第n数字单元电路107，该第n数字单元电路具有耦合到第n锁存比较器104的比较器输出的第一输入。第n数字单元电路107的第一输入可以直接且永久地连接到第n锁存比较器104的比较器输出。第n数字单元电路107可以具有耦合到第n锁存比较器104的另外的比较器输出的第二输入。第n数字单元电路107的第二输入可以直接且永久地连接到第n锁存比较器104的另外的比较器输出。

节点电压van施加到第二锁存比较器100的第一输入101。第二参考电压vref2提供给第二锁存比较器100的第二输入102。第二参考电压vref2与参考电压vref不同。参考电压vref可以称为第一参考电压。节点电压van施加到n个锁存比较器12、100、104中的每个的第一输入16、101、105。第n参考电压vrefn提供给第n锁存比较器104的第二输入106。n个参考电压vref、vref2、vrefn提供给n个锁存比较器12、100、104的第二输入17、102、106。n个参考电压vref、vref2、vrefn彼此不同。

根据第二锁存比较器100的第一输入101处分接的电压和该第二锁存比较器的第二输入102处分接的电压的比较，第二锁存比较器100在比较器输出处产生第二比较器输出信号sco2。因此，第二比较器输出信号sco2取决于节点电压van和第二参考电压vref2的比较。根据第二锁存比较器100的第一输入101处分接的电压和该第二锁存比较器的第二输入102处分接的电压的比较，第二锁存比较器100在另外的比较器输出处产生第二另外比较器输出信号scp2。因此，第二另外比较器输出信号scp2取决于节点电压van和第二参考电压vref2的比较。

第二参考电压vref2可以高于参考电压vref。在光子撞击雪崩二极管11的情况下，锁存比较器12和第二锁存比较器100将阳极电压van与参考电压vref和第二参考电压vref2进行比较。阳极偏置电压van的期望值或预定值可能超出范围：

vref<van<vref2

在阳极电压van在该范围vref＜van＜vref2的情况下，偏置电压vhv保持恒定。在阳极电压van大于第二参考电压vref2的情况下，偏置电压vhv减小。在阳极电压van低于参考电压vref的情况下，偏置电压vhv增加。

在光子撞击雪崩二极管11的情况下，节点电压van等于过偏置电压vex。因此，在光子撞击雪崩二极管11的情况下，锁存比较器12和第二锁存比较器100将过电压vex与参考电压vref和第二参考电压vref2进行比较。过电压vex的期望值或预定值可能超出范围：

vref<vex<vref2

在测得的过偏置电压vex在该范围vref<vex<vref2的情况下，偏置电压vhv保持恒定。在测得的过偏置电压vex大于第二参考电压vref2的情况下，偏置电压vhv减小。在测量的过偏置电压vex低于参考电压vref的情况下，偏置电压vhv增加。参考电压vref和第二参考电压vref2限定了过偏置电压vex的期望值或预定值的窗口。雪崩二极管装置10使用一个窗口来监视阳极电压van或过偏置电压vex。

从数字控制电路18经由使能输出20将比较器使能信号clk提供给第二锁存比较器100的使能输入。第二比较器输出信号sco2提供给第二数字单元电路103的第一输入。第二数字单元电路103在第一输出处产生第一输出信号out2。第一输出信号out2取决于第二比较器输出信号sco2。在第二数字单元电路103的第二输出处产生第二输出信号out_v2。第二输出信号out_v2指示光子的有效撞击，例如在测量周期期间雪崩二极管11上的光子的撞击。第二输出信号out_v2可以独立于第二比较器输出信号sco2。

第二另外比较器输出信号scp2提供给第二数字单元电路103的第二输入。第二数字单元电路103根据第二比较器输出信号sco2和第二另外的比较器输出信号scp2确定第一输出信号out2和第二输出信号out_v2的值。

在第二时间点t2之后(如图1b所示)，第二锁存比较器100产生第二比较器输出信号sco2，并将其提供给第二数字单元电路103。在节点电压van高于第二参考电压vref2的情况下，第二数字单元电路103产生具有第一逻辑值的第一输出信号out2，例如，具有值1。类似地，在节点电压van小于第二参考电压vref2的情况下，第二数字单元电路103产生具有第二逻辑值的第一输出信号out2，例如，值0。

诸如第n锁存比较器104之类的另外的锁存比较器的操作与锁存比较器12和第二锁存比较器100的操作一样。诸如第n数字单元电路107之类的另外的数字单元电路的操作与数字单元电路23和第二数字单元电路103的操作一样。

有利地，雪崩二极管装置10监视spad11的过偏置电压vex，并将其与参考电压vref、第二参考电压vref2以及可选地与诸如第n参考电压vrefn之类的其他参考电压进行比较。雪崩二极管装置10配置为使用窗口方法来设置偏置电压vhv。当数字n大于二时，能够使用一个以上的窗口来监视阳极电压van。

同样，图1c所示的雪崩二极管布置10可以包括n个锁存比较器12、100、104和n个数字单元电路23、103、107，其中n大于1。

通常，术语“耦合”可以由“连接”、“直接连接”或“直接且永久地连接”代替。术语“连接”可以由“耦合”、“直接连接”或“直接且永久地连接”代替。

附图标记

10雪崩二极管装置

11雪崩二极管

12锁存比较器

13猝熄电路

14第一电压端子

15第一节点

16第一输入

17第二输入

18数字控制电路

19节点输入

20使能输出

21使能输入

22控制输出

23数字单元电路

24比较器输出

25第一输出

26第二输出

27控制输入

28至30控制输入

33至36端子

37节点电容器

38第二电压端子

40分压器

41分压器抽头

42、43分压器元件

44带隙电路

46控制电路

47第一输入

48第二输入

49偏置电压发生器

50控制输出

51微处理器

52存储器

60猝熄电阻器

62二极管电容

63复位开关

64第二开关

65猝熄开关

70电流源晶体管

71第一输入晶体管

72第二输入晶体管

73第一反相器

74第二反相器

75电源电压端子

76至79反相器晶体管

80、81比较器电容器

82第一控制晶体管

83第二控制晶体管

84另外的比较器输出

90反相器

91逻辑电路

92触发器

93输入

95、96或非门

97另外的反相器

98另外的门

99延迟电路

100、104锁存比较器

103、107数字单元电路

101、102、105、106输入

ar控制信号

a1p0控制信号

clk比较器使能信号

en使能信号

i电流

ico电流消耗

lo_s另外的控制信号

out、otu2、outn第一输出信号

out_v、out_v2、out_vn第二输出信号

reset_n复位信号

sco、sco2、scon比较器输出信号

scp、scp2、scpn另外的比较器输出信号

scv控制信号

sw1、sw2开关控制信号

van节点电压

va1分压器抽头电压

vba带隙电压

vbd击穿电压

vdd电源电压

vex过电压

vhv偏置电压

vref、vref2、vrefn参考电压

v1第一值

δt数字延迟时间

δt1延迟时间

δt3停滞时间。