单光子探测器APD的外围抑制电路设计

基于InGaAs(P)/InP APD的单光子探测器的研制和性能研究单光子探测器是目前量子信息领域、激光雷达和生物医学等领域的关键器件。

基于InGaAs(P)/InP雪崩光电二极管(APD)的单光子探测器适用于近红外波段,制冷要求低,响应速度快,体积小巧,光纤与器件耦合较容易,实用性较强。

然而,相对于超导纳米线等性能更高的探测器以及用于可见光波段探测的光电倍增管和SiAPD,基于InGaAs(P)/InPAPD的单光子探测器的主要缺点在于其探测效率相对偏低,后脉冲概率较大。

单光子探测器常用于量子通信、激光雷达、荧光寿命分析等应用,不同应用对探测器的性能和工作条件要求差别较大,且其各项性能指标受外部参数影响较大。

研究单光子探测器的性能与其工作模式和参数的关系,特别是后脉冲效应与各参数的关系,针对不同应用系统研究不同侧重点的单光子探测技术,具有重要的研究意义和应用价值。

本论文研制了基于InGaAs(P)/InPAPD的近红外自由运转单光子探测器和门控单光子探测器,对其性能的测试方法和影响因素进行了研究,重点针对后脉冲效应进行了深入研究,并在激光测距系统应用中比较了两种探测器的性能及其对系统性能的影响。

主要的研究内容如下:1.综合现有猝灭恢复电路的优点,设计了超低延迟的主动猝灭主动恢复(AQAR)电路,研制了高性能的自由运转单光子探测器。

设计了在APD的阳极或阴极进行雪崩提取和猝灭的多种不同AQAR电路组合,不同电路组合具有不同的猝灭延迟和不同的最大过偏压。

对不同电路组合的雪崩猝灭性能进行了比较研究,并以此为指导对电路结构进行改进。

利用商用SiGe集成电路比较器、高速E-pHEMT射频晶体管和电容平衡噪声抑制电路设计了超低延迟的AQAR电路,其中巧妙地利用了比较器自身的锁存功能实现雪崩后猝灭状态的锁存,降低了反馈环路延迟;引入了电容平衡法,较好地消除了微分噪声。

改进的AQAR电路使雪崩持续时间短至约1ns,显著提高了自由运转探测器的性能。

一种基于Si-APD的X射线单光子探测电路设计近年来，随着科技的不断进步和发展，医学成像技术起到了越来越重要的作用。

其中，X射线成像技术是一种常用的非侵入性检测方法，被广泛应用于医学和工业等领域。

X射线单光子探测电路是一种新型检测电路，能够实现对单个X射线光子的高灵敏度探测，为X射线成像技术提供了新的思路。

本文对于一种基于Si-APD的X射线单光子探测电路进行设计并制作。

首先，介绍了Si-APD材料的基本性质，包括其结构、工作原理以及输出信号等方面。

然后，针对Si-APD器件的特点进行研究，设计了一种适用于Si-APD器件的前置放大电路。

该电路能够对Si-APD器件输出信号进行放大和滤波，以便实现对单个X射线光子的检测和计数。

接着，对于整个电路进行系统仿真和设计优化。

通过分析电路中各个元件的参数，得到了电路的最优设计方案。

在电路实现方面，我们采用了基于PCB板的设计方式，通过专业的PCB设计软件进行设计，并在实验室中进行了实验验证。

实验结果表明，该X射线单光子探测电路具有高灵敏度和高精确度的特点，能够在非常低的噪声干扰下实现对X射线光子的检测和计数。

同时，在实验中能够得到精确的计数结果，并得出了正常工作范围内的重要性能指标，包括增益、计数速率和能量分辨率等。

本文的研究成果对于提高X射线成像技术的检测效率和精准度具有重要的意义。

随着科技不断进步和发展，X射线单光子探测电路在医疗、工业和科学等领域的应用前景将会更加广阔。

未来，随着医学影像技术的发展，X射线成像技术将得到进一步的升级和改进。

在这一过程中，X射线单光子探测电路的应用将更加广泛。

一方面，在医学领域中，X射线成像技术被广泛应用于疾病诊断和治疗监测等方面。

单光子探测电路的应用将极大地提高这些检测技术的灵敏度和准确性。

另一方面，X射线成像技术在工业和科学领域中也具有广泛的应用。

例如，被广泛应用于材料成像、无损检测、金属检测等方面，以及晶体学、物理学中的研究。

一种基于Si-APD的X射线单光子探测电路设计董龙;傅丹膺;龚志鹏【摘要】X射线单光子探测电路是将入射X射线单光子转换成电信号,进而测量入射光子到达时间和能谱特性的电路,是X射线脉冲星导航的关键技术之一.文章通过分析X射线脉冲星的辐射特性提出了一种基于硅-雪崩光电二极管(Si-APD)的探测电路,Si-APD探测器通过外置偏置高压对入射X射线单光子电离出来的电子进行雪崩放大,偏置电压随着温度的变化自动调节,保证Si-APD增益的稳定性.雪崩抑制电路的作用是对探测器进行复位以探测下一个X射线单光子,文章给出了雪崩抑制电路的工作原理和设计方法,并进一步讨论了在单光子探测应用条件下的前置放大电路和主放大电路设计,合理设计电荷灵敏前置放大器是实现电流电压转换、高增益、低噪声和高时间精度的关键技术,整形带通主放大器作为Si-APD的放大电路,设计合适的带宽和增益可以提高系统信噪比、稳定性、时间分辨率和能谱测量精度.该电路相比于正比计数器、硅漂移探测电路等,具有体积质量较小、可靠性高、造价低廉等优点,可实现高速、高信噪比的X射线单光子探测电路设计.【期刊名称】《航天返回与遥感》【年(卷),期】2016(037)001【总页数】8页(P55-62)【关键词】雪崩光电二极管;X射线;单光子探测;电路设计;脉冲星导航【作者】董龙;傅丹膺;龚志鹏【作者单位】北京空间机电研究所,北京100094;中国空间技术研究院,北京100094;北京空间机电研究所,北京100094【正文语种】中文【中图分类】TN202面向X射线脉冲星导航（X-ray pulsar-based navigation，XPNAV）的单光子探测器是脉冲星导航的核心技术。

X射线脉冲星是一种具有超高温、超高压、超高密度、超强磁场、超强电场和超强应力场等极端物理条件的天体，可发射周期性的X 射线脉冲信号，其周期范围一般为1.6ms～8.5s，少数脉冲星的周期达到几千秒[1-3]。

在８００．９００ｎｍ波段，硅雪崩光电二极管凭借其优越性能、高可靠性以及廉价获得了广泛的应用。

根据硅在８００—９００ｎｍ波段的光吸收系数值，为获得高的量子效率，ＡＰＤ需要具有３０—５０ｎｍ长的耗尽区。

在单边突变的ｐ－ｎ结中，为得到长的耗尽区并降低ＡＰＤ的工作电压，硅ＡＰＤ采用了一种有ｎ＋．Ｐ．舻ｐ＋构成的拉通型结构，如图２．２所示。

图２－２拉通型ＡＰＤ内部结构及电场分布其中７ｃ层为受主杂志，掺杂浓度很低，接近Ｐ型本征层。

图中右方表示了电场强度的分布示意图。

近年来，随着半导体工艺技术的发展，人们开展了硅单光子探测器的集成化和阵列化的研究。

由于拉通型结构耗尽层厚，所需功率大且需热电冷却，不易集成化。

因此一种新的薄型结构被开发，如图２．３所示。

该结构所需偏置电压仅为１５．４０Ｖ，同时因为耗散功率小，不需冷却。

虽然利用薄型ＡＰＤ制成的硅单光子探测器的探测效率在８３０ｎｍ时只有１０％。

但由于集成化和阵列化可以发挥更大、更广的作用，因此还是有越来越多的人投入到薄型硅ＡＰＤ的研究当中。

图２－３薄型ＡＰＤ内部结构２．３．２锗（Ｇｅ）ＡＰＤｌｌ２Ｉ对锗ＡＰＤ单光子探测器的研究很早就开展了。

实验表明，当温度高于１００Ｋ时，只要锗ＡＰＤ的偏置电压大于其雪崩电压就会产生雪崩效应，这是由于锗ＡＰＤ的热激发非常严重。

在实际应用中，必须将其冷却至１００Ｋ以下。

通常使用液氮将８山东大学硕士学位论文第三章正弦门控单光子探测器设计３．１正弦门控工作模式１１４ｉ在单光子探测中，由于ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰＡＰＤ探测的是极其微弱的单光子信号，要想使光生载流子转换为可测量的宏观电流，需要非常大的倍增增益。

ＩｎＧａＡｓＡＰＤ工作在盖革模式下，即偏置电压略高于雪崩击穿电压，此时，ＡＰＤ会发生自持雪崩增益，理论上增益为无穷大。

当雪崩发生后，所产生的电流非常大，此时需要及时抑制雪崩，否则雪崩次数增多会损坏ＡＰＤ。

另外，在雪崩效应的发生过程中，ＡＰＤ无法对后续入射的光子再次做出响应，为使ＡＰＤ能够准确探测到下一个单光子，要求必须能够及时快速抑制雪崩电流。

ABSTRACTRecently, the requirements of ranging resolution, circuit area and power consumption have been gradually improved in close range laser 3D imaging system. Avalanche photodiode (also called single-photon APD) operating in geiger-mode, has a quick response to a single photon, and its readout circuit features on low noise, so it has a great advantage in high precision large-scale array detection.Based on single-photon APD array detector, two front end unit readout circuits applying to laser ranging in 3D imaging have been designed in this paper. According to the ranging principle of time-of-flight (TOF), the unit circuit consists of active quenching circuit (AQC), time-to-digital converter (TDC) and corresponding timing control circuit. In both two designs, AQC can quench APD in an active way within 1 ns, and it realizes an adjustable hold-off time of 3.5-5 ns after quenching. Besides, it can reset APD automatically. In the first design, TDC adopts a two-segment coarse-fine architecture to manage a trade-off between clock frequency and temporal resolution using interpolation technique. The clock frequency has been reduced to 1 GHz, which is one fifth of the conventional design frequency. The temporal resolution is 75 ps, and its corresponding ranging resolution is 1.125 cm, achieving a high precision. The circuit area is 95×95 μm2, and the power consumption is 1.08 mW. In the second design, the circuit structure has been enhanced and optimized on the basis of the original design. The clock frequency is 500 MHz, and the temporal resolution is 200 ps, indicating a ranging resolution of 3 cm. The circuit area is less than 50×95 μm2, and the power consumption is 0.89 mW, having the advantages of small area and low consumption.The projects have been designed with SMIC 0.18 μm 1.8 V CMOS process. Layout post-simulation results show that two schemes can meet their design requirements well. However, there are different degrees of time jitters in both two TDCs. The last part of the paper discusses the causes and provides the corresponding solution.KEY WORDS：Single-photon APD array detector, Laser 3D imaging, Readout circuit, TDC circuit目录摘要 ...............................................................................................................................................I ABSTRACT.................................................................................................................................... II 章第1绪论 (1)1.1论文的研究背景 (1)1.2单光子APD探测器及读出电路概述 (2)1.2.1单光子APD探测器概述 (2)1.2.2单光子APD阵列探测器读出电路概述 (6)1.2.3单光子APD阵列探测器激光3D成像国内外发展概述 (7)1.3论文的选题意义和内容 (13)1.3.1论文的选题意义 (13)1.3.2论文的内容结构 (14)章第2单光子APD阵列探测器单元读出电路架构 (15)2.1单光子APD阵列探测器激光测距系统指标分析 (15)2.2单光子APD阵列探测器单元读出电路架构 (16)2.2.1AQC电路的基本结构及选取 (17)2.2.2TDC电路的基本结构及选取 (18)2.3单光子APD阵列探测器读出电路时序 (21)2.4本章小结 (22)章第3高精度单元读出电路的设计与仿真 (23)3.1 AQC电路的设计与仿真 (23)3.1.1AQC电路的设计 (23)3.1.2AQC电路的仿真 (24)3.2粗TDC电路的设计与仿真 (25)TDC电路的整体设计 (25)3.2.13.2.2LFSR电路的设计 (27)3.2.3LFSR电路的仿真 (29)3.3细TDC电路的设计与仿真 (30)3.3.1延时线型TDC电路的设计 (30)3.3.2TDC电路的仿真 (32)3.4本章小结 (36)第4小型化单元读出电路的优化与仿真 (37)章4.1单元读出电路架构的优化 (37)4.2粗TDC的优化与仿真 (38)粗TDC结构的优化 (38)4.2.14.2.2优化后的粗TDC仿真结果 (41)4.3细TDC的优化与仿真 (42)延时链的设计与优化 (42)4.3.14.3.2D触发器和多路选择器的设计与优化 (43)4.3.3优化后的TDC仿真结果 (44)4.4本章小结 (47)章第5版图设计与后仿真分析 (49)5.1版图设计 (49)5.1.1版图设计注意事项 (49)5.1.2单元读出电路的版图设计 (50)5.2版图的后仿真 (52)5.2.1高精度单元读出电路的后仿真 (52)5.2.2小型化单元读出电路的后仿真 (55)5.3单元读出电路的改进方案 (60)5.4本章小结 (65)章第6总结与展望 (67)6.1总结 (67)6.2展望 (68)参考文献 (69)发表论文和参加科研情况说明 (73)致谢 (75)绪论第1章1.1论文的研究背景一直以来，激光测距技术是发展激光雷达、激光追踪、扫描成像、测速、多普勒成像等技术的重要基础，在军事和民用领域都有着举足轻重的地位。

基于APD 的光电探测器电路研究与设计光电探测器电路用于对光电转换器件输出的微弱电压或电流信号进行放大、处理和整形输出。

对于不同探测用途而采用的光电转换器件不同，与之配合使用的光电探测器电路性能也因此而不同。

如果用来进行光电转换，则重点考虑的是器件的光电转换效能和匹配方式。

这里介绍一种用雪崩光电二极管(APD)与光电探测器电路匹配使用的最佳方法。

针对如何提高光电信号前置放大器信噪比这一关键问题，进行了分析和实践。

在设计电路过程中，除了电路结构的考虑外，对工艺的考虑也是必须的。

由于电路结构设计、工艺设计考虑周全，设计的光电探测器电路信噪比高。

这里还介绍通过用自制的噪声发生器对光电探测器电路进行定量的分析，测算出探测器的增益和信噪比。

该研究是设计满足各种光电信号转换电路的一个重要步骤。

1 器件的选择1．1 提高APD 的光电转换效能雪崩光电二极管(AualanchePhoto Diode，APD)的光电转换效能主要是对信号有倍增作用，它比一般光电二极管的功率电平所产生的响应高几十或几百倍。

倍增与偏压有关，反偏压越大，倍增G 也越大，如图1 所示。

一旦电压达到某个值，APD 会被击穿，此电压就是雪崩电压VB。

设置APD 的工作点一般略小于VB，如图2 所示。

未调制时，由平均光通量P0 所产生的散粒噪声引起的电流波动Ic 可表示为：由于热噪声和放大器内部产生的噪声引起的电流波动Ib 为：对噪声源模型的特征和噪声进行分析。

当信号光强度取最大振幅值Pmax 时，电流值Jsmax 为：利用这些公式可以计算由光信号变换成电信号时的信噪比为：因为光电检测器内部阻抗很大，可看作电流源，所以若检测器的负载阻抗大的话，则Ib2 就下降，结果使得SNR 增加，所以一般负载电阻取得较大，但不能太大。

若加大负载电阻，则放大器输入端的时间常数CR 对频带的限制增强，高频信号成分受到抑制，而这两方面的需求却是互相制约，互相矛盾的。

华南理工大学硕士学位论文雪崩光电二极管APD的特性与单光子探测研究姓名：吕华申请学位级别：硕士专业：光学指导教师：冯金垣;廖常俊20050510第三章雪崩光电二极管特性研究于。

‘６０Ｄ－，：ｅ０００００｛兰一图３．１６单光子计数器计数结果（ａ）单光子计数结果（ｂ）不同光强下的计数值和输入光功率的函数曲线Ｆｉｇ．３－１６Ｃｏｕｎｔｒｅｓｕｌｔｆｒｏｍｓｉｎｇｌｅｐｈｏｔｏｎｃｏｕｎｔｅｒ（ａ）Ｒｅｓｕｌｔｏｆｓｉｎｇｌｅｐｈｏｔｏｎｃｏｕｎｔｉｎｇ（ｂ）Ｃｏｕｎｔｖａｌｕｅｖｅｒｓｕｓｉｎｐｕｔｌｉｇｈｔｐｏｗｅｒａｔｖａｒｉｅｄｉｎｔｅｎｓｉｔｙ光子探测效率可以表示为玎。

：Ⅳ＾×１００％－，＿．２Ｌｓｒ３—２６）％２巴／＾ｙ。

ｌ式中地为有光时由光子产生的计数率，它是光子计数器上的计数值和计数时间（２０ｓ）的比值。

Ｐ。

为输入光功率，是矿为单光子能量。

这样平均光子数为／．ｔ＝Ｏ．１和ｕ＝Ｏ，０３时的光子探测效率分别可计算为ｌ，２９％和２．０９％。

在实验中暗计数率为３．１３Ｘ１０～／ｎｓ。

在以上的单光子计数实验中，我们利用ＥｐｉｔａｘｙＡＰＤ进行光探测，由光子数的泊松分布可知，在平均光子数Ⅳ＝０．１时，单光子概率已经大于９０％；在平均光子数／．ｔ＝Ｏ．０３时，单光子概率大于９７％，实验数据显示了单光子计数测量。

在今后的工作中，通过选用噪声性能好的管子，并采取一定的滤噪措施，使ＡＰＤ工作在最佳温度和最佳电压条件下，高性能的单光子探测是可以实现的。

实现单光子探测的基本要求是，一方面是对被探测的光子要有很高的响应灵敏度，另一方面是背景噪声要尽可能少。

提高响应灵敏度和降低噪声是两个可：相制约的因素。

在常规通信系统中，最佳信噪比是个好的选择。

响应灵敏度和暗电流都随工作电压增加而增加，但暗电流和背景噪声随工作电压上升更快。

所以，最佳信噪比的工作电压不是响应灵敏度最高的电压。

对于单光予探测，响应灵敏度是主要追求目标，是在获得最大可能的探测灵敏度的条件下设法降低暗电流和背景噪声。

单光子探测器APD的特性分析以及所需要的直流偏
压源设计
1 引言
 单光子探测是一种检测极微弱光的方法，在近红外波段，雪崩光电二极管(APD)是探测极微弱光的主要器件之一。

APD是一种能实现光电转换且具有内部增益的高灵敏度光电探测器，其工作电压不高，噪声相对较小，非常适合极微弱光信号(如单个光子信号)的探测。

 由于单光子探测是在高技术领域的重要地位，他已经成为各发达国家光电子学重点研究的课题之一。

在量子密钥分发、天文测光、分子生物学、超高分辨率光谱学、非线形光学、光时域反射等现代科学技术领域中，都涉及到极微弱光信号的检测问题。

在量子密钥分发系统中，量子信息的载体是单光子，如何将携带信息的单光子探测出来是实现量子密钥分发的关键。

APD是实现单光子探测的核心器件。

在单光子探测器设计中，为了开发APD的极限灵敏度，APD必须置于反向偏压(Vb)稍高于雪崩击穿电压(Vbr)之上，即所谓的盖格(Gerger Mode)模式下工作，使APD的雪崩增益M取最佳值MOPT，才能达到较高的探测效率。

然而在盖格模式时，APD的雪崩增益M不仅与环境温度T还与其直流偏压Vb的大小密切相关。

基于APD的气体拉曼单光子探测器设计张超;王晓荣;许新岳;程聪聪【摘要】根据拉曼散射光的特点，选用一种由硅雪崩光电二极管( APD)组成的多像素倍增器件作为光电转换器，设计了一套单光子探测器。

为降低探测过程的噪声，探测器部分设计有低纹波偏压、恒温控制和快速雪崩抑制模块。

并配有用于雪崩特性研究的测试模块，并通过调整电路参数优化探测性能。

测试结果表明：探测器具有响应灵敏度高、分析速度快、体积小巧、功耗低等特点，适合在气体拉曼分析系统中使用。

%According to the characteristics of Raman scattering light, a silicon avalanche photodiode is used to compose of multi-pixel doubling device as a photoelectric converter. To reduce noise during detecting,the detector has modules of reverse bias supply with low ripple voltage, temperature control and fast avalanche suppression module. Moreover,it owns a test module which is exclusively for the study of avalanche phenomenon,and the perfor-mance is optimized by adjusting circuit parameters. The results indicate that the detector has high detection sensi-tivity,rapid analysis speed,small size and low power consumption,suitable for using in Raman gas analysis system.【期刊名称】《电子器件》【年(卷),期】2017(040)001【总页数】6页(P16-21)【关键词】拉曼散射;硅雪崩光电二极管;单光子;雪崩【作者】张超;王晓荣;许新岳;程聪聪【作者单位】南京工业大学电气工程与控制科学学院，南京210009;南京工业大学电气工程与控制科学学院，南京210009;南京工业大学电气工程与控制科学学院，南京210009;南京工业大学电气工程与控制科学学院，南京210009【正文语种】中文【中图分类】TP212拉曼光谱技术是一项集合了无损、快速、准确等优势的物质结构探测技术，近年来在晶体材料、医药检疫、宝石鉴定等方面获得快速发展。