一种用于自由运转SPAD的高速淬灭电路设计
CSTR:
作者:
作者单位:

(1. 中国科学院上海技术物理研究所 传感技术联合国家重点实验室, 上海 200083;2. 中国科学院上海技术物理研究所 中国科学院红外成像材料与器件重点实验室, 上海 200083;3. 上海科技大学, 上海 200100;4. 中国科学院大学, 北京 100049)

作者简介:

李云铎(1995-),男,硕士研究生,主要研究方向为专用集成电路芯片设计;

通讯作者:

中图分类号:

基金项目:

上海市自然科学基金项目(19ZR1465500).*通信作者:龚海梅,黄张成


A High-Speed Quenching Circuit for Free-Running Single Photon Avalanche Detector
Author:
Affiliation:

(1. State Key Laboratory of Transducer Technology, Shanghai Institute of Technical Physics of the Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200083, CHN;2. Key Laboratory of Infrared Imaging Materials and Detectors, Shanghai Institute of Technical Physics of the Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200083, CHN;3. ShanghaiTech University, Shanghai 200100, CHN;4. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, CHN)

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    摘要:

    针对标准CMOS工艺的单光子雪崩探测器 (Single Photon Avalanche Detector,SPAD),设计了一种可用于自由运转模式的高速淬灭电路。为了实现淬灭电路的功能设计与精准仿真,根据实测的SPAD电流-电压曲线拟合得到了电流与电压间的多段式函数解析式,进一步建立了SPAD器件的Verilog-A行为级模型并与淬灭电路进行集成仿真与验证。淬灭电路采用基于电容感应的主被动淬灭结构,利用可变MOS电容的延迟电路实现了关断时间 (Hold-off Time) 的灵活调节。仿真结果表明,所设计淬灭电路的淬灭时间和恢复时间分别为1.0和1.2ns,关断时间调节范围为1.02~3.55μs,可以满足自由运转CMOS SPAD的应用需求。

    Abstract:

    In this paper, a fast quenching circuit is designed and simulated for free-running CMOS single photon avalanche diode (SPAD). In order to obtain more accurate simulation results, an enhanced SPAD simulation model is compiled using Verilog-A language, and I-V characteristic is expressed by three segmented functions. The fast quenching circuit is based on mixed passive-active quenching and capacitive sensing. A timing control circuit composed of the variable MOS capacitor is used to achieve hold-off time regulation. The simulation results show that the quenching time and reset time of the quenching circuit are 1.0 and 1.2ns, respectively. The hold-off time can be varied in the range of 1.02~3.55μs, which can meet the requirements of free-running CMOS SPAD detectors.

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  • 收稿日期:2021-03-18
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