一種低檢測閾值的高速主被動混合淬火電路設(shè)計

謝海情，陸俊霖，曹武，陳振華，陳泳全，尹趙欣

（1.長沙理工大學(xué)柔性電子材料基因工程湖南省重點實驗室，湖南長沙 410114；2.長沙理工大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院，湖南長沙 410114）

自20 世紀(jì)以來，單光子檢測技術(shù)因在國防安全、社會經(jīng)濟和工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域的重要作用，已被許多國家列為重點發(fā)展項目。但單個光子的能量僅為10-19J 左右，普通的光探測器很難檢測到如此微弱的光信號。因此，單光子探測器（Single Photon Detector,SPD）逐漸成為科研工作者的研究熱點[1-3]。雪崩光電二極管（Avalanche Photon Diode,APD）是一種具有內(nèi)部增益的光電探測器，基于APD 的單光子雪崩探測器（Single Photon Avalanche Detector,SPAD）具有內(nèi)部增益大、噪聲低、靈敏度高等優(yōu)點，并能與現(xiàn)有CMOS 工藝兼容，集成度高，廣泛應(yīng)用于3D 成像、光測距、空間探測和量子通信等領(lǐng)域[4-8]。工作于蓋革模式的APD 在完成一次單光子探測后，因其雪崩會自持而無法探測后續(xù)到來的光子，必須設(shè)計淬火電路完成APD 的淬滅與恢復(fù)[9]。APD 從被淬滅到恢復(fù)，期間不能進行單光子探測，這段時間稱為死區(qū)時間。為實現(xiàn)高頻率的單光子探測，死區(qū)時間成為衡量淬火電路的主要性能指標(biāo)。

常見的淬火電路主要有被動淬滅、主動淬滅和門控淬滅三種結(jié)構(gòu)。被動淬火電路結(jié)構(gòu)最為簡單，基于電阻分壓原理，當(dāng)APD 檢測到光子后，雪崩電流經(jīng)過大電阻產(chǎn)生壓降，使APD 反向偏置電壓降低至雪崩擊穿電壓以下，實現(xiàn)雪崩淬滅。該結(jié)構(gòu)淬火電路的淬滅時間主要由串聯(lián)電阻決定，由于電阻值較大，因此死區(qū)時間較長，難以滿足高頻率光子檢測需求[10]。門控淬火電路采用固定頻率方波信號控制APD 的偏置電壓，使APD 能夠以固定的頻率處于待測或淬滅狀態(tài)[10-12]。該結(jié)構(gòu)電路的淬滅速度取決于門控信號的頻率，容易實現(xiàn)納秒級的死區(qū)時間，但僅適用于光子到達時間確定的檢測環(huán)境中。

主動淬火電路在被動淬火電路中增加反饋回路，也稱為主被動混合淬火電路。該電路用反饋信號控制淬滅與恢復(fù)開關(guān)，從而實現(xiàn)APD 的快速淬滅與恢復(fù)，成為目前主流的淬火電路結(jié)構(gòu)。文獻[13]提出高速緊湊型主動淬火電路，其總的死區(qū)時間小于4 ns。文獻[14]采用反相器作為檢測比較器，基于0.18 μm 工藝，提出了淬滅與復(fù)位時間均小于4 ns 的主動淬火電路。文獻[15]采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS 工藝，設(shè)計了一種死區(qū)時間為1.02～3.55 μs 的高速主動淬火電路。然而，現(xiàn)有的淬火電路要求APD 輸出的雪崩電流較大，造成電路的功耗較大，不滿足集成電路低壓低功耗的發(fā)展要求。

1 電路設(shè)計

1.1 APD SPICE模型

文中所提出淬火電路所針對的LSAMBM APD結(jié)構(gòu)如圖1 所示[16]，其I-V特性曲線如圖2 所示。當(dāng)反向偏置電壓小于8.3 V 時，APD 工作在線性模式，電流增長緩慢。當(dāng)反偏電壓大于8.3 V 時，APD 發(fā)生雪崩，工作于蓋革模式。反偏電壓等于9 V 時，輸出電流為1.3 μA。

圖1 LSAMBM APD 結(jié)構(gòu)圖

圖2 APD I-V特性曲線

通過Verilog-A 語言描述分段多項式函數(shù)[式（1）]來擬合LSAMBM APD 的I-V特性曲線，構(gòu)建其SPICE模型。

1.2 主被動混合淬火電路設(shè)計

針對LSAMBM APD 的低雪崩電壓和低雪崩電流，設(shè)計了一種具有低檢測閾值的快速主被動混合淬火電路。通過引入反饋信號控制APD 陽極電壓實現(xiàn)快速淬滅與恢復(fù)，縮短死區(qū)時間。整體電路結(jié)構(gòu)如圖3 所示，主要由電流檢測模塊、邏輯控制模塊以及淬滅恢復(fù)管組成。待測狀態(tài)下R2上的壓降約為0.1 V，為保證APD 發(fā)生雪崩時的過偏置電壓達到0.7 V，Vc設(shè)置為9.1 V。

圖3 整體電路結(jié)構(gòu)

精確檢測到雪崩電流是淬火電路正常工作的前提。針對LSAMBM APD 的雪崩電流僅為1.3 μA，傳統(tǒng)電流檢測方式無法實現(xiàn)檢測。文中提出的淬火電路設(shè)計由M1-M5、R2、R3組成電流鏡結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)雪崩電流檢測。R2作為被動淬滅電阻，將雪崩電流轉(zhuǎn)換為電壓，I1用于與雪崩電流作比較。M3、M4構(gòu)成等比例的電流鏡。在忽略工藝偏差的情況下，V1、V2的電位完全相等。初始狀態(tài)下，R3支路電流大于R2支路電流，即V2＞V1；當(dāng)APD 發(fā)生雪崩時，雪崩電流流經(jīng)R2，此時V1＞V2，比較器翻轉(zhuǎn)，后續(xù)邏輯電路工作狀態(tài)發(fā)生改變，開始淬滅與恢復(fù)。

邏輯控制模塊由比較器、延時電路組成。淬火電路整體的死區(qū)時間主要取決于比較器的檢測延遲，比較器電路結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 比較器電路結(jié)構(gòu)

比較器由差分運放和反相器組成。輸入對管寬長比M7∶M8=1∶1，負載管寬長比M9∶M10=1∶N。當(dāng)VA=VB時，M7、M8所在支路的電流近似相等。M9為二極管連接方式，工作于飽和區(qū)，M10工作在三極管區(qū)。漏源極電流分別為：

由式（2）、（3）可得：

選取合適的N值，使||VDS10小于M12的閾值電壓VTH，M12截止，M11導(dǎo)通，經(jīng)兩級反相器輸出VQC=VDD。當(dāng)VA＞VB，M10進入深三極管區(qū)，||VDS10進一步減小，輸出端保持高電平不變。

當(dāng)VB-VA大于一定值（檢測閾值）時，M10進入飽和區(qū)，在忽略溝道長調(diào)制效應(yīng)的情況下，IDS9∶IDS10=1∶N,Y點的電位開始下降，M12導(dǎo)通，輸出低電平?？紤]失調(diào)電壓，檢測閾值V的表達式為:

式中，ISS為尾電流，保持ISS和輸入對管的寬長比不變，通過改變N的值，可以控制比較器的檢測閾值電壓，該設(shè)計N取2，檢測閾值等于50 mV。比較器的工作狀態(tài)如表1 所示。

表1 比較器工作狀態(tài)

比較器的輸出作為淬滅信號控制M6和M7的關(guān)斷和導(dǎo)通，淬滅信號反相后經(jīng)延時電路輸出復(fù)位信號至控制M8和M9的工作狀態(tài)。

當(dāng)APD 處于待測狀態(tài)時：V2＞V1，VQC為高電平，VRES為低電平，M6-M9均關(guān)斷。

檢測到光子入射，APD 發(fā)生雪崩：雪崩電流通過R2使VR2升高，從而使V1升高。V1、V2的壓差可由下式表示：

其中，IC為雪崩電流，IDS2為M2的漏極電流，均為固定值。

2 結(jié)果與分析

基于0.18 μm CMOS 工藝，采用Cadence 完成電路設(shè)計、版圖設(shè)計與仿真。所提出淬火電路版圖如圖5 所示，面積為53 μm×26 μm。

圖5 淬火電路版圖

電源電壓VDD=1.0 V，根據(jù)公式（6）和（7），為保證V1與V2之間的差值超過50 mV，達到比較器的翻轉(zhuǎn)閾值，R2、R3取50 kΩ。比較器仿真結(jié)果如圖6 所示，可以看出，正相輸入端固定為700 mV，反向端升高至750 mV 時，輸出由高電平翻轉(zhuǎn)為低電平，檢測閾值為50 mV。

圖6 比較器仿真結(jié)果

整體電路的瞬態(tài)仿真結(jié)果如圖7 所示。VA為陽極電壓，VQC為淬滅信號，VRES為復(fù)位信號。通過控制陽極電壓實現(xiàn)雪崩與淬滅，陽極電壓的改變直觀體現(xiàn)了淬滅恢復(fù)過程。當(dāng)VQC為低電平，M6和M7導(dǎo)通，VA上升至接近VDD，雪崩淬滅。同時，VQC反相后經(jīng)延時電路輸出復(fù)位信號VRES，M8與M6形成一條到地通路，M9則將APD 陽極電位VA恢復(fù)至0.1 V，進入待測狀態(tài)。t1到t2時刻為淬滅過程，陽極電壓VA上升至0.9 V，淬滅時間（t1-t2）為0.5 ns；t2到t3時刻為復(fù)位階段，陽極電壓VA恢復(fù)至0.1 V，復(fù)位時間（t2-t3）約為1.34 ns，檢測延時約為11.5 ns，死區(qū)時間（t1-t3）約為13.4 ns。

圖7 瞬態(tài)仿真結(jié)果

為了更直觀表示所設(shè)計淬火電路的性能指標(biāo)，表2 給出了與其他淬火電路性能的對比結(jié)果?？梢钥闯?，通過低閾值的電流檢測電路，實現(xiàn)低檢測閾值達到1.3 μA。同時，低偏置電壓與低檢測閾值使得功耗相較于同類型淬火電路有著顯著的減小，僅為0.046 mW，最小死區(qū)時間達到13.4 ns。

表2 各種淬火電路的性能對比

3 結(jié)論

該文針對一種低雪崩電壓和低雪崩電流的APD，設(shè)計了一款低檢測閾值的高速淬火電路。采用電流鏡電流檢測結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了對1.3 μA 雪崩電流的檢測，通過設(shè)計一種低翻轉(zhuǎn)閾值、高速比較器實現(xiàn)主動淬滅，縮短死區(qū)時間。仿真結(jié)果表明：該淬火電路的電流檢測閾值為1.3 μA，淬滅時間為0.5 ns，恢復(fù)時間約為1.34 ns，死區(qū)時間為13.4 ns，整體功耗低至0.046 mW，滿足低功耗高速光探測的需求。