一种快速淬灭与复位电路

本发明涉及一种快速淬灭与复位电路，能够用于提高单光子雪崩二极管探测效率，主要应用于激光雷达测距应用中的单光子雪崩二极管的快速淬灭与复位，属于单光子探测领域。

背景技术：

1、随着科学技术的不断进步，人们在量子通信、激光雷达测距、三维成像、生物医疗等领域对探测器的灵敏度要求越来越高。从原来的数百个光子到数十个光子的微光成像，发展到现在的单光子可探测的超高灵敏度、快速响应探测需求。在这种强烈需求背景下，单光子雪崩二极管(singlephotoavalanchediode，spad)应运而生，其工作原理是信号光子在光电效应作用下在感光区形成信号电子，信号电子在反向偏置的高压电场下加速后与硅晶格发生碰撞产生更多的电子空穴对，激发电子在高压电场作用下会再次激发产生更多的激发电子，这个自持式激发过程可获得百万倍量级的信号增益，形成可探测的雪崩电流脉冲，从而实现单光子探测，这种自持式的雪崩过程称为盖革模式。

2、单光子雪崩二极管雪崩过程不会自动停止，直到产生的雪崩电流损毁二极管。为避免雪崩电流不受限制的增大导致雪崩二极管损毁，在实际使用时需要在检测到雪崩电流后快速降低雪崩二极管反向偏置电压到雪崩电压点以下，阻止继续产生雪崩电流，保护雪崩二极管。这种快速降低雪崩二极管偏置电压的过程称为淬灭。在雪崩电流停止后，又需要迅速抬高雪崩二极管偏置电压到雪崩电压以上，使得雪崩二极管恢复正常工作状态，以准备好响应下一次光子信号的到来。这种快速使雪崩二极管做好准备迎接下一次产生雪崩电流的过程称为复位。

3、雪崩二极管淬灭方法可分为被动淬灭、主动淬灭和门控淬灭三种。被动淬灭结构简单，淬灭原理如图1所示。当雪崩电流流过限流电阻rl和检流电阻rs时会导致两个电阻两端电压差增大，从而使雪崩二极管spad两端电压降低雪崩电压点以下，完成淬灭。被动淬灭由于rl和rs电阻阻值较大，存在电阻寄生电容、spad结电容等原因导致淬灭和复位过程都较为缓慢，单光子检测周期大约在微秒量级，限制了该方法在高速光子探测中的应用。

4、门控淬灭原理如图2所示，相比被动淬灭在spad的阴极引入了交流耦合的高速门控时钟信号，控制spad两端偏置电压周期性的处于雪崩电压点之上和雪崩电压点之下，从而周期性的接收单光子信号。门控淬灭适合于单光子到达时刻已知的应用，比如量子通信领域，但不适合于光子到达时刻未知的情形，如激光雷达测距应用领域。

5、主动淬灭原理如图3所示，雪崩电流经检流电阻rs后变成电压信号，经比较器整型后输出单光子脉冲信号，并控制脉冲发生器反馈到spad阳极端，控制spad偏置电压下降到雪崩电压以下达到淬灭spad的目的。主动淬灭具有淬灭速度快，spad死时间短的特点。在激光雷达测距应用中，光子达到时刻未知，需要spad处于长期的准备状态，一旦单光子信号到达探测器，又要求spad在单位时间内尽可能多的检测出单光子个数，即要求死时间尽可能短。因此在激光雷达测距应用中常采用主动淬灭方式对spad进行淬灭。

6、在激光雷达长距离测距应用中，由于探测距离远导致目标反射到接收spad的光子数十分有限；同时为避免杂散光影响，通常会选取特殊的光谱窄带滤光片滤除杂散光，这会进一步降低spad能接收的目标反射光子数。这要求提高spad的探测效率(单光子信号产生雪崩形成单光子电脉冲信号的概率)以获得更多单光子脉冲数据样本。提高spad的探测效率则要求提高偏置电压，意味着要求更大的淬灭深度，这会增大淬灭时间和复位时间。同时为获得更大的饱和计数率，需要尽量降低spad的死时间，要求spad的淬灭电路具有更快的淬灭时间和复位时间。因此，通过提高偏置电压幅度来提升探测效率与降低死时间是一对矛盾。

技术实现思路

1、(一)要解决的技术问题

2、针对远距离激光雷达测距中要求spad高探测效率和低死时间之间相互制约问题，发明了一种快速淬灭与复位电路，可提高单光子雪崩二极管探测效率。

3、(二)技术方案

4、本发明提供一种可提高单光子雪崩二极管探测效率的快速淬灭与复位电路。

5、一种快速淬灭与复位电路，所述电路包括高侧淬灭子电路，高侧复位子电路，低侧淬灭子电路，低侧复位子电路，雪崩二极管d1，采样电阻r1，高压供电电源；

6、所述雪崩二极管d1的阴极引入所述高侧淬灭子电路；

7、所述高侧淬灭子电路包括：交流耦合电容c2，保护二极管d2和d3，限流电阻r4，r5和r6，推挽输出晶体管q2和q3，上拉电阻r7以及电平转换晶体管q4，第一淬灭供电电源；所述推挽输出晶体管q2和电平转换晶体管q4为npn型射频晶体管，推挽输出晶体管q3为pnp型射频晶体管；

8、所述雪崩二极管d1的阳极引入低侧淬灭子电路；

9、所述低侧淬灭子电路包括：交流耦合电容c3，限流电阻r8，上拉电阻r9，晶体管q5，保护二极管d4和d5，第二淬灭供电电源；所述晶体管q5为pnp型射频晶体管。

10、进一步的，所述雪崩二极管d1的阴极引入高侧复位子电路；

11、所述高侧复位子电路包括：偏置电阻r2和r3，交流耦合电容c1，晶体管q1；所述晶体管q1为pnp型射频晶体管。

12、进一步的，所述雪崩二极管d1的阳极引入了低侧复位子电路；

13、所述低侧复位子电路包括：雪崩二极管d1，采样电阻r1，晶体管q6；所述晶体管q6为npn型射频晶体管。

14、进一步的，所述高侧淬灭子电路、低侧淬灭子电路被配置为同时有效，且持续时间一致，对雪崩二极管d1阴极和阳极同时淬灭；淬灭结束后低侧复位子电路立即置为有效，对雪崩二极管d1的阳极进行复位；低侧复位结束后，高侧复位子电路立即置为有效，雪崩二极管d1阴极复位到高压供电电源电压，雪崩二极管d1准备好进行下一次雪崩激发。

15、进一步的，所述高侧淬灭子电路中，所述电平转换晶体管q4的基极为高侧淬灭控制端口，射极与信号地相连，集电极与所述上拉电阻r7的第二端相连；所述上拉电阻r7的第一端与限流电阻r4的第二端相连，所述限流电阻r4的第一端与所述第一淬灭供电电源输出端相连；所述推挽输出晶体管q2的集电极与所述限流电阻r4的第二端相连，基极与所述限流电阻r4第二端相连，射极与限流电阻r5的第一端相连；所述推挽输出晶体管q3的射极与所述限流电阻r6的第二端相连，基极与所述上拉电阻r7的第二端相连，集电极与信号地相连；所述限流电阻r5的第二端与所述限流电阻r6的第一端相连；所述保护二极管d2的阳极与保护二极管d3的阴极相连，所述保护二极管d2的阴极与限流电阻r4的第二端相连；所述保护二极管d3的阳极与信号地相连；所述交流耦合电容c2的第二端与所述保护二极管d2的阳极相连；所述交流耦合电容c2的第一端与所述雪崩二极管d1的阴极相连。

16、进一步的，所述高侧复位子电路中，所述交流耦合电容c1的第一端为高侧复位子电路的控制端口；所述交流耦合电容c2的第一端与所述偏置电阻r2的第二端相连，所述偏置电阻r2的第一端与所述晶体管q1的射极相连；所述偏置电阻r3的第一端与所述交流耦合电容的第一端相连，所述偏置电阻r3的第二端与所述晶体管q1的集电极相连；所述晶体管q1的射极与所述高压供电电源输出端相连，集电极与雪崩二极管d1的阴极相连，基极与所述交流耦合电容c1的第二端相连。

17、进一步的，所述低侧淬灭子电路中，所述交流耦合电容c3的第一端为低侧淬灭子电路的控制端口；所述交流耦合电容c3的第二端与所述上拉电阻r9的第二端相连；所述上拉电阻r9的第一端与所述限流电阻r8的第二端相连；所述限流电阻r8的第一端与所述第二淬灭供电电源输出端相连；所述晶体管q5的基极与交流耦合电容c3的第二端相连，射极与所述限流电阻r8的第二端相连，集电极与所述雪崩二极管d1的阳极相连；所述保护二极管d4的阳极与所述雪崩二极管d1的阳极相连，所述保护二极管d4的阴极与所述限流电阻r8的第二端相连；所述保护二极管d5的阴极与所述雪崩二极管d1的阳极相连，所述保护二极管d5的阳极与信号地相连。

18、进一步的，所述低侧复位子电路中，所述晶体管q6的基极为低侧复位控制端口；所述晶体管q6的射极与信号地相连，集电极与所述雪崩二极管d1的阳极相连；所述采样电阻r1的第一端与所述雪崩二极管d1的阳极相连，所述采样电阻r1的第二端与信号地相连。

19、根据上述技术方案，在spad的阴极引入高侧淬灭子电路，用于对spad的阴极进行淬灭，淬灭供电电源为高侧淬灭子电路提供淬灭电压，高侧淬灭控制端口控制高侧淬灭子电路产生负极性淬灭脉冲信号叠加到spad的阴极，降低spad的阴极电压；在spad的阴极引入高侧复位子电路，用于高侧淬灭完成后将spad阴极电压复位到高压供电电源电压并限制spad的雪崩电流，高侧供电电源为高侧复位子电路提供高电压，高侧复位控制端口控制高侧复位子电路为spad阴极提供偏置电压；spad阳极采用检流电阻r1将雪崩电流信号转换为电压信号；在spad阳极引入低侧淬灭子电路，用于对spad的阳极进行淬灭，淬灭供电电源为低侧淬灭子电路提供淬灭电压，低侧淬灭控制端口控制低侧淬灭子电路产生正极性淬灭脉冲型号叠加到spad阳极，抬高spad阳极电压；在spad阳极引入低侧复位子电路，用于低侧淬灭完成后将spad阳极电压复位，低侧复位控制端口控制低侧复位子电路将spad阴极电压复位到0v。

20、高、低淬灭子电路和高低复位子电路的控制时序为：首先，高低淬灭控制端口同时有效，且持续时间一致，对spad阴极和阳极同时淬灭；淬灭结束后立即将低侧复位控制端口置为有效，对spad的阳极进行复位；最后，低侧复位结束后，立即将高侧复位控制端口置为有效，将spad阴极进行复位到高压供电电源电压。

21、(三)有益效果

22、本发明利用高低侧淬灭子电路对spad同时淬灭并采用射频晶体管作为高速控制开关，具有以下优点：

23、(1)通过spad阴极的高侧淬灭子电路和阳极的低侧淬灭子电路同时淬灭，可将spad的淬灭深度提高1倍，从而将spad的偏置电压增加到接近2倍淬灭电压，可将spad的探测效率提高25％以上；

24、(2)由于采用高低端分别同时淬灭的方法，在提高淬灭深度获得更高探测效率的同时并没有增加单个淬灭子电路的淬灭电压，从而保障不降低淬灭速度。

25、(3)采用npn型和pnp型射频晶体管作为淬灭和复位子电路的高速控制开关，提高开关速度来进一步降低spad的死时间，可将死时间控制到33ns以内，获得约30mhz的饱和计数率，相对传统的方法使得死时间降低了16％左右。