一种低检测阈值的高速主被动混合淬火电路设计

谢海情，陆俊霖，曹武，陈振华，陈泳全，尹赵欣

（1.长沙理工大学柔性电子材料基因工程湖南省重点实验室，湖南长沙 410114；2.长沙理工大学物理与电子科学学院，湖南长沙 410114）

自20 世纪以来，单光子检测技术因在国防安全、社会经济和工业生产等领域的重要作用，已被许多国家列为重点发展项目。但单个光子的能量仅为10-19J 左右，普通的光探测器很难检测到如此微弱的光信号。因此，单光子探测器（Single Photon Detector,SPD）逐渐成为科研工作者的研究热点[1-3]。雪崩光电二极管（Avalanche Photon Diode,APD）是一种具有内部增益的光电探测器，基于APD 的单光子雪崩探测器（Single Photon Avalanche Detector,SPAD）具有内部增益大、噪声低、灵敏度高等优点，并能与现有CMOS 工艺兼容，集成度高，广泛应用于3D 成像、光测距、空间探测和量子通信等领域[4-8]。工作于盖革模式的APD 在完成一次单光子探测后，因其雪崩会自持而无法探测后续到来的光子，必须设计淬火电路完成APD 的淬灭与恢复[9]。APD 从被淬灭到恢复，期间不能进行单光子探测，这段时间称为死区时间。为实现高频率的单光子探测，死区时间成为衡量淬火电路的主要性能指标。

常见的淬火电路主要有被动淬灭、主动淬灭和门控淬灭三种结构。被动淬火电路结构最为简单，基于电阻分压原理，当APD 检测到光子后，雪崩电流经过大电阻产生压降，使APD 反向偏置电压降低至雪崩击穿电压以下，实现雪崩淬灭。该结构淬火电路的淬灭时间主要由串联电阻决定，由于电阻值较大，因此死区时间较长，难以满足高频率光子检测需求[10]。门控淬火电路采用固定频率方波信号控制APD 的偏置电压，使APD 能够以固定的频率处于待测或淬灭状态[10-12]。该结构电路的淬灭速度取决于门控信号的频率，容易实现纳秒级的死区时间，但仅适用于光子到达时间确定的检测环境中。

主动淬火电路在被动淬火电路中增加反馈回路，也称为主被动混合淬火电路。该电路用反馈信号控制淬灭与恢复开关，从而实现APD 的快速淬灭与恢复，成为目前主流的淬火电路结构。文献[13]提出高速紧凑型主动淬火电路，其总的死区时间小于4 ns。文献[14]采用反相器作为检测比较器，基于0.18 μm 工艺，提出了淬灭与复位时间均小于4 ns 的主动淬火电路。文献[15]采用标准CMOS 工艺，设计了一种死区时间为1.02～3.55 μs 的高速主动淬火电路。然而，现有的淬火电路要求APD 输出的雪崩电流较大，造成电路的功耗较大，不满足集成电路低压低功耗的发展要求。

1 电路设计

1.1 APD SPICE模型

文中所提出淬火电路所针对的LSAMBM APD结构如图1 所示[16]，其I-V特性曲线如图2 所示。当反向偏置电压小于8.3 V 时，APD 工作在线性模式，电流增长缓慢。当反偏电压大于8.3 V 时，APD 发生雪崩，工作于盖革模式。反偏电压等于9 V 时，输出电流为1.3 μA。

图1 LSAMBM APD 结构图

图2 APD I-V特性曲线

通过Verilog-A 语言描述分段多项式函数[式（1）]来拟合LSAMBM APD 的I-V特性曲线，构建其SPICE模型。

1.2 主被动混合淬火电路设计

针对LSAMBM APD 的低雪崩电压和低雪崩电流，设计了一种具有低检测阈值的快速主被动混合淬火电路。通过引入反馈信号控制APD 阳极电压实现快速淬灭与恢复，缩短死区时间。整体电路结构如图3 所示，主要由电流检测模块、逻辑控制模块以及淬灭恢复管组成。待测状态下R2上的压降约为0.1 V，为保证APD 发生雪崩时的过偏置电压达到0.7 V，Vc设置为9.1 V。

图3 整体电路结构

精确检测到雪崩电流是淬火电路正常工作的前提。针对LSAMBM APD 的雪崩电流仅为1.3 μA，传统电流检测方式无法实现检测。文中提出的淬火电路设计由M1-M5、R2、R3组成电流镜结构，实现雪崩电流检测。R2作为被动淬灭电阻，将雪崩电流转换为电压，I1用于与雪崩电流作比较。M3、M4构成等比例的电流镜。在忽略工艺偏差的情况下，V1、V2的电位完全相等。初始状态下，R3支路电流大于R2支路电流，即V2＞V1；当APD 发生雪崩时，雪崩电流流经R2，此时V1＞V2，比较器翻转，后续逻辑电路工作状态发生改变，开始淬灭与恢复。

逻辑控制模块由比较器、延时电路组成。淬火电路整体的死区时间主要取决于比较器的检测延迟，比较器电路结构如图4 所示。

图4 比较器电路结构

比较器由差分运放和反相器组成。输入对管宽长比M7∶M8=1∶1，负载管宽长比M9∶M10=1∶N。当VA=VB时，M7、M8所在支路的电流近似相等。M9为二极管连接方式，工作于饱和区，M10工作在三极管区。漏源极电流分别为：

由式（2）、（3）可得：

选取合适的N值，使||VDS10小于M12的阈值电压VTH，M12截止，M11导通，经两级反相器输出VQC=VDD。当VA＞VB，M10进入深三极管区，||VDS10进一步减小，输出端保持高电平不变。

当VB-VA大于一定值（检测阈值）时，M10进入饱和区，在忽略沟道长调制效应的情况下，IDS9∶IDS10=1∶N,Y点的电位开始下降，M12导通，输出低电平。考虑失调电压，检测阈值V的表达式为:

式中，ISS为尾电流，保持ISS和输入对管的宽长比不变，通过改变N的值，可以控制比较器的检测阈值电压，该设计N取2，检测阈值等于50 mV。比较器的工作状态如表1 所示。

表1 比较器工作状态

比较器的输出作为淬灭信号控制M6和M7的关断和导通，淬灭信号反相后经延时电路输出复位信号至控制M8和M9的工作状态。

当APD 处于待测状态时：V2＞V1，VQC为高电平，VRES为低电平，M6-M9均关断。

检测到光子入射，APD 发生雪崩：雪崩电流通过R2使VR2升高，从而使V1升高。V1、V2的压差可由下式表示：

其中，IC为雪崩电流，IDS2为M2的漏极电流，均为固定值。

2 结果与分析

基于0.18 μm CMOS 工艺，采用Cadence 完成电路设计、版图设计与仿真。所提出淬火电路版图如图5 所示，面积为53 μm×26 μm。

图5 淬火电路版图

电源电压VDD=1.0 V，根据公式（6）和（7），为保证V1与V2之间的差值超过50 mV，达到比较器的翻转阈值，R2、R3取50 kΩ。比较器仿真结果如图6 所示，可以看出，正相输入端固定为700 mV，反向端升高至750 mV 时，输出由高电平翻转为低电平，检测阈值为50 mV。

图6 比较器仿真结果

整体电路的瞬态仿真结果如图7 所示。VA为阳极电压，VQC为淬灭信号，VRES为复位信号。通过控制阳极电压实现雪崩与淬灭，阳极电压的改变直观体现了淬灭恢复过程。当VQC为低电平，M6和M7导通，VA上升至接近VDD，雪崩淬灭。同时，VQC反相后经延时电路输出复位信号VRES，M8与M6形成一条到地通路，M9则将APD 阳极电位VA恢复至0.1 V，进入待测状态。t1到t2时刻为淬灭过程，阳极电压VA上升至0.9 V，淬灭时间（t1-t2）为0.5 ns；t2到t3时刻为复位阶段，阳极电压VA恢复至0.1 V，复位时间（t2-t3）约为1.34 ns，检测延时约为11.5 ns，死区时间（t1-t3）约为13.4 ns。

图7 瞬态仿真结果

为了更直观表示所设计淬火电路的性能指标，表2 给出了与其他淬火电路性能的对比结果。可以看出，通过低阈值的电流检测电路，实现低检测阈值达到1.3 μA。同时，低偏置电压与低检测阈值使得功耗相较于同类型淬火电路有着显著的减小，仅为0.046 mW，最小死区时间达到13.4 ns。

表2 各种淬火电路的性能对比

3 结论

该文针对一种低雪崩电压和低雪崩电流的APD，设计了一款低检测阈值的高速淬火电路。采用电流镜电流检测结构，实现了对1.3 μA 雪崩电流的检测，通过设计一种低翻转阈值、高速比较器实现主动淬灭，缩短死区时间。仿真结果表明：该淬火电路的电流检测阈值为1.3 μA，淬灭时间为0.5 ns，恢复时间约为1.34 ns，死区时间为13.4 ns，整体功耗低至0.046 mW，满足低功耗高速光探测的需求。