單光子雪崩光電二極管的超額偏壓控制系統(tǒng)與方法
【專利摘要】一種單光子雪崩光電二極管的超額偏壓控制系統(tǒng)與方法，該系統(tǒng)包含：電源供應器，產(chǎn)生供應電壓；單光子雪崩光電二極管，具有第一端接收該供應電壓，具有第二端產(chǎn)生輸出電壓信號；控制電路，連接于該單光子雪崩光電二極管的該第二端，其中，該控制電路根據(jù)該輸出電壓信號的變化以及超額偏壓電平來產(chǎn)生重置電平；以及負載，具有第一端連接至該單光子雪崩光電二極管的該第二端，具有第二端連接至該控制電路以接收該重置電平。
【專利說明】
單光子雪崩光電二極管的超額偏壓控制系統(tǒng)與方法
技術領域
[0001]本公開為一種二極管的偏壓控制系統(tǒng)與方法，且特別涉及一種單光子雪崩光電二極管(single photon avalanche photo d1de)的超額偏壓控制系統(tǒng)與方法。
【背景技術】
[0002]一般來說，光電檢測器(photo detector)根據(jù)其操作形式可進一步區(qū)分為一般的光電二極管(photo d1de、簡稱]3D)、雪崩光電二極管(avalanche photo d1de、簡稱APD)、單光子雪崩光電二極管(single photon avalanche photo d1de，簡稱 SPAD)。
[0003]請參照圖1，其所繪示為各種光電檢測器的偏壓操作范圍及其光增益(opticalgain)示意圖。一般的光電二極管F1D其操作在逆向偏壓(reverse bias)值相對低的區(qū)域，因此光增益不高，一個光子最多激發(fā)一電子空穴對(electron-hole pair)。
[0004]雪崩光電二極管APD操作在線性模式，其工作點電壓，或可稱之為偏壓電壓，靠近崩潰電壓電平-Vbd，且大于崩潰電壓電平_Vbd。亦即，偏壓電壓的絕對值小于崩潰電壓電平絕對值。
[0005]單光子雪崩光電二極管SPAD操作在蓋格模式(Geiger mode)，其偏壓電壓小于崩潰電壓電平-Vbd，亦即，偏壓電壓的絕對值大于崩潰電壓電平-Vbd的絕對值。例如偏壓電壓為_(Vbd+Vj，其中Ve稱為超額偏壓電平(excess bias level)，且V e為正值。在高電場操作之下，單光子雪崩光電二極管SPAD的光增益非常大，約在16數(shù)量級。
[0006]請參照圖2，其所繪示為采用電荷栗(charge pump)為供應電壓源的單光子雪崩光電二極管SPAD的負載電流I^/變化與超額偏壓電平V e之間的關系圖。其中，單光子雪崩光電二極管SPAD與負載(load)串接于供應電壓Vcip與接地電壓之間，且溫度保持定值。由圖2可知，當負載電流Ilciad靜止時，超額偏壓電平Ve最大；當負載電流I Wd逐漸增加時，超額偏壓電平I會隨著V m變小而逐漸降低。再者，由于超額偏壓電平V e#影響到單光子雪崩光電二極管SPAD的靈敏度(sensitivity)，所以當負載電流Ilciad逐漸增加時，超額偏壓電平L會逐漸降低，造成單光子雪崩光電二極管SPAD的靈敏度也會逐漸降低。
[0007]請參照圖3，其所繪示為采用電荷栗為供應電壓源的單光子雪崩光電二極管SPAD的溫度T變化與超額偏壓電平Ve之間的關系圖。其中，單光子雪崩光電二極管SPAD與負載串接于供應電壓Vcip與接地電壓之間，且負載電流I Wd保持定值。由圖3可知，當溫度T逐漸上升時，崩潰電壓電平Vbd會逐漸增加，導致超額偏壓電平Ve^逐漸減少。再者，由于超額偏壓電平L會影響到單光子雪崩光電二極管SPAD的靈敏度，所以當溫度T上升時，超額偏壓電平Ve會逐漸降低，造成單光子雪崩光電二極管SPAD的靈敏度也會逐漸降低。
[0008]由以上的說明可知，由于崩潰電壓電平Vbd以及供應電壓Vcip皆可能隨著操作環(huán)境變化，因此如何能夠穩(wěn)定地控制單光子雪崩光電二極管SPAD的偏壓電壓以及超額偏壓電平L為一個重要的技術議題。
[0009]請參照圖4，其所繪示為一般單光子雪崩光電二極管SPAD的偏壓調(diào)整電路。該偏壓調(diào)整電路根據(jù)參考二極管26的暗計數(shù)(dark count)來調(diào)整其他二極管的偏壓，用以保持固定的超額偏壓。
[0010]如圖4所示，被不透明殼體(enclosed in a light opaque housing) 36所遮住的參考二極管26電連接至主動抑制電路(active quenching circuit，簡稱AQR) 44與參考電壓源(Vref)之間。再者，門計數(shù)器(gated counter)46可在一預定周其月(predefined timeper1d)計算暗計數(shù)率(dark count rate，簡稱DCR)。之后，門計數(shù)器46根據(jù)暗計數(shù)率(DCR)輸出一第一數(shù)字數(shù)值至控制器48，使得控制器48根據(jù)一查找表來產(chǎn)生一第二數(shù)字數(shù)值至數(shù)字轉模擬轉換器(digital-to-analog converter，簡稱DAC) 50。而數(shù)字轉模擬轉換器(DAC) 50即可據(jù)以控制可變電壓源52產(chǎn)生一偏壓電壓Vblas至其他二極管54。
[0011]根據(jù)以上的說明，一般單光子雪崩光電二極管SPAD的偏壓調(diào)整電路根據(jù)參考二極管26的暗計數(shù)率(DCR)來判斷崩潰電壓的變化，并根據(jù)參考二極管其崩潰電壓的變化來控制其他二極管54的偏壓。再者，一般單光子雪崩光電二極管SPAD的偏壓調(diào)整電路中，可能需要利用一個被不透明殼體42所遮住的參考二極管26才能完成。
[0012]請參照圖5，其所繪示為一般單光子雪崩光電二極管SPAD的溫度補償及其控制電路。該溫度補償及其控制電路測量參考二極管58的崩潰電壓，并據(jù)以調(diào)整其他二極管的偏壓。
[0013]如圖5所示，被遮住的參考光電二極管58電連接至再充電電路60。再者，模擬轉數(shù)字轉換器(A/D) 62測量被遮住的參考光電二極管58的崩潰電壓，并產(chǎn)生第一數(shù)字數(shù)值至偏壓控制回路64。再者，偏壓控制回路64產(chǎn)生第二數(shù)字數(shù)值至數(shù)字轉模擬轉換器(DAC) 66，使得數(shù)字轉模擬轉換器(DAC) 66即可據(jù)以控制可變電壓源58產(chǎn)生一偏壓電壓至其他二極管70。
[0014]根據(jù)以上的說明，一般單光子雪崩光電二極管SPAD的溫度補償及其控制電路根據(jù)被遮住的參考光電二極管58的崩潰電壓的變化來控制其他二極管70的偏壓。同理，一般單光子雪崩光電二極管SPAD的溫度補償及其控制電路中，也需要利用一個被遮住的參考光電二極管58才能完成。
[0015]請參照圖6，其所繪示為一般運用于單光子雪崩光電二極管SPAD的溫度與負載補償。該溫度與負載補償根據(jù)暗計數(shù)率(DCR)及其脈沖寬度來調(diào)整數(shù)位電荷栗(DCP)的輸出電壓用以控制單光子雪崩光電二極管SPAD的超額偏壓。
[0016]如圖6所示，溫度與負載補償包括數(shù)字電荷栗(DCP)80、單光子雪崩光電二極管SPAD陣列估算器(emulator) 82、環(huán)境監(jiān)測器84、FPGA與主機86、以及數(shù)字控制振蕩器88。
[0017]基本上，由于暗計數(shù)率(DCR)與脈沖寬度與溫度以及超額偏壓的變化相關。因此，F(xiàn)PGA與主機86即接收環(huán)境監(jiān)測器84所產(chǎn)生的信號來計算出暗計數(shù)率(DCR)與脈沖寬度，并據(jù)以控制數(shù)字控制振蕩器(DCO) 88與數(shù)字電荷栗(DCP) 80來產(chǎn)生供應電壓Vcip，用以調(diào)整單光子雪崩光電二極管SPAD89a?89c的超額偏壓。
[0018]根據(jù)以上的說明，一般單光子雪崩光電二極管SPAD的溫度與負載電流補償根據(jù)單光子雪崩光電二極管SPAD 89a?89c的暗計數(shù)率(DCR)與脈沖寬度的變化來改變供應電壓Vop并進一步調(diào)整超額偏壓。同理，一般單光子雪崩光電二極管SPAD的溫度與負載補償中，也可能需要利用被遮住的單光子雪崩光電二極管SPAD 89a?89c才能完成。
[0019]請參照圖7A與圖7B，其所繪示為一般高動態(tài)范圍光檢測器及其操作方法40。如圖7A所示，高動態(tài)范圍光檢測器包括:PIN 二極管112、單光子雪崩光電二極管SPAD 116、感測晶體管114、讀取晶體管118以及重置晶體管120。其中，PIN 二極管112操作于線性模式且單光子雪崩光電二極管SPADl 16操作于蓋格模式(Geiger mode)。再者，高動態(tài)范圍光檢測器根據(jù)其接收的光通量(light flux)來切換于線性模式或者蓋格模式。
[0020]再者，如圖7B所示，一般高動態(tài)范圍光檢測器會先檢測光的狀況180。并且，當光大于等于臨限值時，則操作在線性模式188，反的操作在蓋格模式184。再者，在蓋格模式184時，尚未輸出飽和186時，則保持在蓋格模式184 ;反之，已經(jīng)輸出飽和186時，則切換至線性模式188。再者，在線性模式188時，當噪聲小于等于臨限值190時，則切換至蓋格模式184 ;反之，當噪聲未小于等于臨限值190時，則保持在線性模式188。
[0021]上述的高動態(tài)范圍光檢測器需要操作在線性模式與蓋格模式之間，因此對應的信號處理電路會相對復雜。
[0022]請參照圖8，其所繪示為一般環(huán)境光檢測系統(tǒng)與方法。如圖8所示，感測元件200中包括:基板202、發(fā)光二極管204、單光子雪崩光電二極管SPAD陣列206、濾鏡208、校準濾鏡210、透鏡209、211與紅外線可通過的棕色窗212。再者，單光子雪崩光電二極管SPAD陣列206中更區(qū)分為:表面未加工的單光子雪崩光電二極管SPAD (Raw SPAD)，亦即第一型無衰減像素214 ;表面為紅外線可通過的單光子雪崩光電二極管SPAD，亦即第二型無衰減像素216 ;以及表面為不透光金屬的單光子雪崩光電二極管SPAD，亦即有衰減像素218。
[0023]在感測元件200的運作上，當亮度大于臨限值的高亮度環(huán)境下，可利用有衰減像素218來進行測量。反之，當亮度低于臨限值的低亮度環(huán)境下，即利用無衰減像素214與216來進行測量。
[0024]基本上，上述感測元件200需要額外的校正電路(calibrat1n circuit)用于修正有衰減像素218以及無衰減像素214與216之間的不匹配，以避免感測元件200在運作上可能會遭遇到不準確的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0025]本公開提出一種單光子雪崩光電二極管的超額偏壓控制系統(tǒng)與方法。利用全新的控制系統(tǒng)電路架構，用以較精確地控制超額偏壓，并且可藉由控制超額偏壓以達成具備高動態(tài)范圍的成像器(imager) ο
[0026]本公開提出一種單光子雪崩光電二極管的超額偏壓控制系統(tǒng)，包含:電源供應器，產(chǎn)生供應電壓；單光子雪崩光電二極管，具有第一端接收該供應電壓，具有第二端產(chǎn)生一輸出電壓信號；控制電路，連接于該單光子雪崩光電二極管的該第二端，其中，該控制電路根據(jù)該輸出電壓信號的變化以及超額偏壓電平來獲得重置電平；以及負載，具有第一端連接至該單光子雪崩光電二極管的該第二端，具有第二端連接至該控制電路用以接收該重置電平。
[0027]本公開提出一種單光子雪崩光電二極管的超額偏壓控制方法，該單光子雪崩光電二極管的第一端連接至電源供應器，該單光子雪崩光電二極管的第二端產(chǎn)生輸出電壓信號，負載的第一端連接至該單光子雪崩光電二極管的該第二端，該負載的第二端接收重置電平；該超額偏壓控制方法包括下列步驟:控制該單光子雪崩光電二極管操作在蓋格模式；當該單光子雪崩光電二極管產(chǎn)生光電流時，監(jiān)測該輸出電壓信號的電壓變化，并根據(jù)該電壓變化與超額偏壓電平來產(chǎn)生重置電平；以及將該重置電平提供至該負載的第二端。
[0028]為了對本公開的上述及其他方面有更佳的了解，下文特舉其一實施范例，并配合附圖，做詳細說明如下:
【附圖說明】
[0029]圖1所繪示為各種光電檢測器的偏壓操作范圍及其光增益示意圖。
[0030]圖2所繪示為單光子雪崩光電二極管SPAD的負載電流Ilciad變化與超額偏壓電平Ve之間的關系圖。
[0031]圖3所繪示為單光子雪崩光電二極管SPAD的溫度T變化與超額偏壓電平Ve之間的關系圖。
[0032]圖4所繪示為一般單光子雪崩光電二極管SPAD的偏壓調(diào)整電路。
[0033]圖5所繪示為一般單光子雪崩光電二極管SPAD的溫度補償及其控制電路。
[0034]圖6所繪示為一般運用于單光子雪崩光電二極管SPAD的溫度與負載電流補償。
[0035]圖7A與圖7B所繪示為一般高動態(tài)范圍光檢測器及其操作方法。
[0036]圖8所繪示為一般環(huán)境光檢測系統(tǒng)與方法。
[0037]圖9A至圖9C所繪示為本公開單光子雪崩光電二極管SPAD檢測電路及其相關信號示意圖。
[0038]圖1OA與圖1OB所示為單光子雪崩光電二極管SPAD的超額偏壓控制系統(tǒng)的第一實施例及其相關信號示意圖。
[0039]圖11所繪示為本公開單光子雪崩光電二極管SPAD的超額偏壓控制系統(tǒng)的第二實施例。
[0040]圖12所繪示為本公開單光子雪崩光電二極管SPAD的超額偏壓控制系統(tǒng)的第三實施例。
[0041]圖13所繪示為本公開單光子雪崩光電二極管SPAD的超額偏壓控制系統(tǒng)的第四實施例。
[0042]圖14所繪示為本公開單光子雪崩光電二極管SPAD的超額偏壓控制系統(tǒng)的第五實施例。
[0043]圖15所繪示為第五實施例的詳細電路圖。
[0044]圖16所繪示為本公開單光子雪崩光電二極管SPAD的超額偏壓控制方法。
[0045]【符號說明】
[0046]26,58:參考光電二極管
[0047]36:不透明殼體
[0048]44:動作抑制電路
[0049]46:門計數(shù)器
[0050]48:控制器
[0051]50、66:數(shù)字轉模擬器
[0052]52、68:可變電壓源
[0053]54、70:其他二極管
[0054]60:再充電電路
[0055]62:模擬轉數(shù)字器
[0056]64:偏壓控制回路
[0057]80:數(shù)字電荷栗
[0058]82 =SPAD陣列估算器
[0059]84:環(huán)境監(jiān)測器
[0060]86:FPGA 與主機
[0061]88:數(shù)字控制振蕩器
[0062]112:PIN 二極管
[0063]114:感測晶體管
[0064]116:單光子雪崩光電二極管
[0065]118:讀取晶體管
[0066]180?190:步驟流程
[0067]200:感測元件
[0068]202:透鏡
[0069]204:發(fā)光二極管
[0070]206:單光子雪崩光電二極管SPAD陣列
[0071]208、210:濾鏡
[0072]209、211:透鏡
[0073]212:紅外線可通過的棕色窗
[0074]214:第一型無衰減像素
[0075]216:第二型無衰減像素
[0076]218:有衰減像素
[0077]310、350、400、450、500、600:電源供應器
[0078]352、402、452、502、602:負載
[0079]360、420、460、520、620:控制電路
[0080]362、426、462、524、622:采樣與保持電路
[0081]364、422、464、522、624:電位移轉器
[0082]606:抑制重置電路
[0083]626:電壓調(diào)整器
[0084]628:運算放大器
[0085]712:比較器
[0086]714、716、722、724:非門
[0087]718:或非門
[0088]S810?S83O:步驟流程
【具體實施方式】
[0089]請參照圖9A至圖9C，其所繪示為單光子雪崩光電二極管SPAD檢測電路及其相關信號示意圖。單光子雪崩光電二極管SPAD檢測電路包括:電源供應器310、單光子雪崩光電二極管SPAD、負載R。其中，電源供應器310可產(chǎn)生供應電壓^^^單光子雪崩光電二極管SPAD的陰極端接收供應電壓Vcip,陽極端響應接收光子激發(fā)而產(chǎn)生一輸出電壓信號Van。&負載的第一端連接至單光子雪崩光電二極管SPAD的陽極端，負載的第二端連接至接地電壓Gnd0
[0090]假設單光子雪崩光電二極管SPAD操作在蓋格模式，供應電壓Vcip= V bd+Ve，其中Vbd為崩潰電壓且I為超額偏壓電平。當單光子雪崩光電二極管SPAD未接收到任何光子激發(fā)時，光電流(sensing current) I (或者負載電流)為零。此時，單光子雪崩光電二極管SPAD為不動作狀態(tài)(off)，且陽極端的輸出電壓信號Vancide電平為零。
[0091]再者，當單光子雪崩光電二極管SPAD在時間點tl接收到光子激發(fā)時，光電流I增加。此時，單光子雪崩光電二極管SPAD為動作狀態(tài)(on)，光電流I流經(jīng)負載R產(chǎn)生I XR的跨壓(voltage drop)，使得陽極端的輸出電壓信號Vancide電平由零上升。當陽極端的輸出電壓信號Vancide上升到抑制電平(quenching level)時，單光子雪崩光電二極管SPAD上的跨壓降低至崩潰電壓電平Vbd，單光子雪崩光電二極管SPAD電流截止至零值，之后陽極端的輸出電壓信號VancidJf始放電而于時間點t2放電至零值電平。
[0092]當單光子雪崩光電二極管SPAD再次接收到光子時，再次重復時間點tl至時間點t2的動作。
[0093]根據(jù)單光子雪崩光電二極管SPAD的特性，本公開提出如圖1OA所示的單光子雪崩光電二極管SPAD的超額偏壓控制系統(tǒng)的第一實施例。其中，單光子雪崩光電二極管SPAD的超額偏壓控制系統(tǒng)包括:電源供應器350、單光子雪崩光電二極管SPAD、負載352、控制電路360。再者，控制電路360中包括:采樣與保持電路362與電位移轉器364。
[0094]電源供應器310可產(chǎn)生供應電壓Vcip;單光子雪崩光電二極管SPAD的陰極端接收供應電壓Vcip,陽極端會響應接收光子激發(fā)而產(chǎn)生一輸出電壓信號Van-;負載的第一端連接至單光子雪崩光電二極管SPAD的陽極端；采樣與保持電路362接收陽極端的輸出電壓信號Vanode,并產(chǎn)生抑制電平Vq;以及，電位移轉器364接收超額偏壓電平V e,并據(jù)以將抑制電平Vq轉換為重置電平I，使得負載的第二端接收重置電平V-再者，重置電平t等于抑制電平Vq減去超額偏壓電平V-其中，電源供應器350可為電荷栗電路，負載352可為電阻。
[0095]由于電源供應器350提供的供應電壓Vcip以及單光子雪崩光電二極管SPAD的崩潰電壓電平Vbd都可能根據(jù)環(huán)境溫度變化而改變。因此，本公開的實施例在于利用采樣與保持電路362準確的采樣到單光子雪崩光電二極管SPAD的抑制電平Vq。接著，利用電位移轉器364將超額偏壓電平Ve迭加(superpose)于抑制電平V q上而產(chǎn)生重置電平V r，使得負載352第二端接收重置電平V-以下詳細說明。
[0096]請參照圖10B，其所繪示為單光子雪崩光電二極管SPAD的超額偏壓控制系統(tǒng)的相關信號不意圖。在時間點tl，單光子雪崩光電二極管SPAD接收到光子激發(fā)而動作(on)，并產(chǎn)生光電流I使得陽極端的輸出電壓信號Van-上升至抑制電平V q。此時，抑制電平Vq即為供應電壓Vcip減去崩潰電壓電平V bd，亦即
[0097]Vq= V op_Vbd (I)
[0098]因此，采樣與保持電路362采樣出陽極端的輸出電壓信號Van-的極值電壓電平而成為抑制電平\。而在陽極端的輸出電壓信號Van-到達抑制電平V q之后，將使得單光子雪崩光電二極管SPAD不動作(off)，而于時間點t2陽極端的輸出電壓信號Van-逐漸放電至零電平。
[0099]當采樣與保持電路362提供抑制電平Vq至電位移轉器364時，電位移轉器364將超額偏壓電平Ve迭加于抑制電平V q上而成為重置電平V P使得負載352第二端接收重置電平V1^。其中，重置電平(等于抑制電平V q減去超額偏壓電平V y亦即
[0100]Vr= Vq-Ve (2)
[0101]根據(jù)上述(1)、(2)，可以獲得Vcip-V1= Vbd+Ve。換句話說，當單光子雪崩光電二極管SPAD不動作(off)時，即可確定單光子雪崩光電二極管SPAD上的跨壓為崩潰電壓電平VjJP上超額偏壓電平V e。
[0102]由以上的說明可知，不論電源供應器350提供的供應電壓Vcip以及單光子雪崩光電二極管SPAD的崩潰電壓電平Vbd如何改變，當單光子雪崩光電二極管SPAD不動作(off)時，單光子雪崩光電二極管SPAD的跨壓為崩潰電壓電平Vbd加上超額偏壓電平V-因此本公開的第一實施例可以在單光子雪崩光電二極管SPAD提供準確的超額偏壓電平I。再者，本公開更可以藉由改變電位移轉器364所接收的超額偏壓電平I，進一步調(diào)整單光子雪崩光電二極管SPAD的光檢測機率(Photon Detect1n Probability，PDP)，使得本公開的第一實施例具備高動態(tài)范圍的控制系統(tǒng)。
[0103]請參照圖11，其所繪示為本公開單光子雪崩光電二極管SPAD的超額偏壓控制系統(tǒng)的第二實施例。單光子雪崩光電二極管SPAD的超額偏壓控制系統(tǒng)包括:電源供應器400、單光子雪崩光電二極管SPAD、負載402、控制電路420。再者，控制電路420中包括:電位移轉器422以及采樣與保持電路426。
[0104]相較于第一實施例，其差異在于控制電路420中，電位移轉器422先將超額偏壓電平Ve迭加于陽極端的輸出電壓信號V 并成為第一電壓信號V q’，亦即V/ = Vanc^-Vy接著，采樣與保持電路426采樣出第一電壓信號V/的極值電壓電平而成為重置電平V-相同地，第二實施例也可以獲得Vcip-1= V bd+VJ勺結果。亦即，當單光子雪崩光電二極管SPAD不動作(off)時，即可確定單光子雪崩光電二極管SPAD上的跨壓為崩潰電壓電平VjJ口上超額偏壓電平I。
[0105]請參照圖12，其所繪示為本公開單光子雪崩光電二極管SPAD的超額偏壓控制系統(tǒng)的第三實施例。單光子雪崩光電二極管SPAD的超額偏壓控制系統(tǒng)包括:電源供應器450、單光子雪崩光電二極管SPAD、負載452、控制電路460。再者，控制電路460中包括:采樣與保持電路462以及電位移轉器464。
[0106]電源供應器450可產(chǎn)生供應電壓Vcip;單光子雪崩光電二極管SPAD的陽極端接收供應電壓Vcip,陰極端響應接收光子激發(fā)而產(chǎn)生一電壓信號輸出V?！?負載的第一端連接至單光子雪崩光電二極管SPAD的陰極端；采樣與保持電路462接收陰極端的輸出電壓信號Vcathode,并產(chǎn)生抑制電平Vq;以及，電位移轉器464接收超額偏壓電平V e,并將抑制電平Vq迭加上超額偏壓電平VJJ成為重置電平V r,并使得負載的第二端接收重置電平\。再者，重置電平V1^等于抑制電平V q加上超額偏壓電平V 亦即V1^ = V q+Ve。其中，電源供應器450可為電荷栗電路，負載452可為電阻。
[0107]同理，當單光子雪崩光電二極管SPAD接收到光子激發(fā)而動作(on)并產(chǎn)生光電流I使得陰極端的輸出電壓信號Iath-下降至抑制電平V q。此時，采樣與保持電路462采樣陰極端的輸出電壓信號V?！臉O值電壓電平而獲得抑制電平V q。此時，重置電平V1J卩為供應電壓Vcip加上崩潰電壓電平V bd，亦即
[0108]Vq= Vop+Vbd (3)
[0109]再者，當采樣與保持電路462提供抑制電平Vq至電位移轉器464時，電位移轉器464將超額偏壓電平Ve迭加于抑制電平V q上而成為重置電平V r,使得負載452第二端接收重置電平V1^。其中，重置電平V1^等于抑制電平V q加上超額偏壓電平V y亦即
[0110]Vr= Vq+Ve (4)
[0111]根據(jù)上述(3)、(4)，可以獲得1-^= Vbd+Ve。換句話說，當單光子雪崩光電二極管SPAD不動作(off)時，即可確定單光子雪崩光電二極管SPAD上的跨壓為崩潰電壓電平VjJP上超額偏壓電平V e。
[0112]請參照圖13，其所繪示為本公開單光子雪崩光電二極管SPAD的超額偏壓控制系統(tǒng)的第四實施例。單光子雪崩光電二極管SPAD的超額偏壓控制系統(tǒng)包括:電源供應器500、單光子雪崩光電二極管SPAD、負載502、控制電路520。再者，控制電路520中包括:電位移轉器522以及采樣與保持電路524。
[0113]相較于第三實施例，其差異在于控制電路520中，電位移轉器522先將超額偏壓電平L迭加于陰極端的輸出電壓信號V并成為第一電壓信號V q’，亦即Vq’ = VMth-+V-接著，采樣與保持電路524采樣出第一電壓信號Vq’的極值電壓電平而成為重置電平\。相同地，第二實施例也可以獲得VfVcip= V bd+VJ勺結果。亦即，當單光子雪崩光電二極管SPAD不動作(off)時，即可確定單光子雪崩光電二極管SPAD上的跨壓為崩潰電壓電平VjJ口上超額偏壓電平I。
[0114]請參照圖14，其所繪示為本公開單光子雪崩光電二極管SPAD的超額偏壓控制系統(tǒng)的第五實施例。單光子雪崩光電二極管SPAD的超額偏壓控制系統(tǒng)包括:電源供應器600、單光子雪崩光電二極管SPAD、負載602以及控制電路620。再者，負載602中包括:晶體管Ml及抑制重置電路606 ;以及，控制電路620中包括:采樣與保持電路622、電位移轉器624以及電壓調(diào)整器)626。其中，電源供應器600可為電荷栗電路。
[0115]電源供應器600可產(chǎn)生供應電壓Vcip;單光子雪崩光電二極管SPAD的陰極端接收供應電壓Vcip,陽極端產(chǎn)生一輸出電壓信號Vancidf3;負載602的第一端連接至單光子雪崩光電二極管SPAD的陽極端；采樣與保持電路622接收陽極端的輸出電壓信號Van-，并產(chǎn)生抑制電平Vq;電位移轉器624接收一超額偏壓電平V e,并將抑制電平Vq迭加上超額偏壓電平V e而成為重置電平電壓調(diào)整器626接收重置電平V 1^并產(chǎn)生調(diào)整電壓V reg,并使得負載602的第二端接收調(diào)整電壓Vrag。其中，重置電平V1^等于抑制電平V q減去超額偏壓電平V ^且重置電平V1^等于調(diào)整電壓V rag。
[0116]再者，控制電路620中的電壓調(diào)整器626可增強其輸出驅動能力，使得負載602的第二端快速穩(wěn)定在重置電平\。電壓調(diào)整器626包括一運算放大器628，正輸入端接收重置電平I，負輸入端產(chǎn)生調(diào)整電壓Vrag;晶體管M 2，源極端接收供應電壓Vdd，漏極端連接至運算放大器的負輸入端，柵極連接至運算放大器628的輸出端；電阻R連接于運算放大器的負輸入端與接地電壓Gnd之間。再者，第五實施例中更在負載中使用抑制重置電路606，其用途之一在于讓采樣與保持電路622更正確地采樣到抑制電平Vq。詳細說明如下:
[0117]當單光子雪崩光電二極管SPAD接收到光子激發(fā)而動作(on)并產(chǎn)生光電流I使得陽極端的輸出電壓信號Van-上升至抑制電平V q。此時，抑制重置電路606會動作，并產(chǎn)生一控制信號Ctrl至晶體管M1柵極(控制端)，用以關閉(turn off)晶體管M1，使得單光子雪崩光電二極管SPAD陽極端上原來的導通路徑被斷開(open)，因此抑制電平Vq會保持較長的時間，使得采樣與保持電路622更正確地采樣到抑制電平Vq。
[0118]換句話說，第五實施例中新增的電壓調(diào)整器626用來增加控制電路620的輸出驅動能力，使得負載602的第二端接收調(diào)整電壓V?g(亦即重置電平V》。再者，第五實施例中新增的抑制重置電路606可用來增加抑制電平Vq保持的時間，使得采樣與保持電路622更正確地采樣到抑制電平Vq。而相同的運作原理，當單光子雪崩光電二極管SPAD不動作(off)時，即可確定單光子雪崩光電二極管SPAD上的跨壓為崩潰電壓電平Vbd加上超額偏壓電平L，亦即Vcip-V1=VbJV-
[0119]請參照圖15，其所繪示為第五實施例的詳細電路圖。其中，采樣保持電路622以及電位移轉器624也可以運用于上述第一實施例至第四實施例。
[0120]抑制重置電路606中包括:比較器712、非門714與716、或非門718、電容C1、晶體管M8以及晶體管M 3。其中，比較器712正輸入端接收陽極端的輸出電壓信號Vancide,負輸入端接收一臨限電壓電平Vthl，輸出端產(chǎn)生控制信號CtH。亦即，當單光子雪崩光電二極管SPAD接收到光子而動作(on)并產(chǎn)生光電流I使得陽極端的輸出電壓信號Van-上升至臨限電壓Vthl以上時，比較器712會產(chǎn)生控制信號Ctrl至晶體管M1柵極，用以關閉(turn off)晶體管吣，使得原來單光子雪崩光電二極管SPAD陽極端上的導通路徑被斷開(open)。
[0121]另外，抑制重置電路606中的非門714、電容C1、晶體管％、非門716連接形成一單穩(wěn)態(tài)電路。當控制信號Ctrl產(chǎn)生后，利用電流源晶體管仏的放電路徑來控制產(chǎn)生一脈沖信號，并且在非門716輸出端產(chǎn)生采樣與保持控制信號SH。晶體管M8的柵極接收自一控制電壓，調(diào)整此電壓值可以控制其導通電流值大小，進而調(diào)整脈沖信號寬度。再者，利用或非門718輸出端來控制晶體管M3，在適當?shù)臅r間開啟晶體管％以重置單光子雪崩光電二極管SPAD陽極端電壓電平至零?；旧希种浦刂秒娐?06中采樣與保持控制信號SH會先動作完成之后才會開啟晶體管M3。
[0122]采樣與保持電路622包括非門722與724、傳輸門與一電容C2。其中，傳輸門由晶體管仏與M5K組成。當采樣與保持控制信號SH動作時，傳輸門開啟使得陽極端的輸出電壓信號Van-的極值電壓電平被i己錄于電容C 2。換句話說，電容器C2J:的電壓即為抑制電平Vr。
[0123]電位移轉器624包括晶體管16與M 7組合成源極隨親器(source follower)。再者，晶體管M6柵極接收抑制電平Vy晶體管M7柵極接收一超額偏壓電平Vy并且在輸出端產(chǎn)生一重置電平L且重置電平V1^等于抑制電平V q減去超額偏壓電平V-
[0124]電壓調(diào)整器626包括一運算放大器628，正輸入端接收重置電平\，負輸入端產(chǎn)生調(diào)整電壓Vrag;晶體管MJI極連接至運算放大器626的輸出端，源極端接收另一供應電壓Vdd,漏極端與運算放大器628負輸入端之間連接電阻R2;電阻R i連接在運算放大器628負輸入端與接地電壓Gnd之間。因此，電壓調(diào)整器626可增強其輸出驅動能力，使得負載602的第二端能快速穩(wěn)定且保持在重置電平\。
[0125]再者，晶體管MJI極可產(chǎn)生臨限電壓Vthl至抑制重置電路606，其中，Vthl =Vreg(^R2ZR1) ο換句話說，調(diào)整電阻R2的電阻值可以調(diào)整抑制重置電路606中控制信號Ctrl、采樣與保持控制信號SH、以及晶體管M3的動作時間。
[0126]請參照圖16，其所繪示為本公開單光子雪崩光電二極管SPAD的超額偏壓控制方法。其中，單光子雪崩光電二極管SPAD的第一端連接至一電源供應器，以接收一供應電壓Vcip;單光子雪崩光電二極管SPAD的第二端可產(chǎn)生一輸出電壓信號；以及一負載的一第一端連接至單光子雪崩光電二極管SPAD的第二端，負載的一第二端接收一重置電平。其控制方法為:
[0127]首先，控制單光子雪崩光電二極管SPAD操作在蓋格模式(步驟S810);接著，當該單光子雪崩光電二極管產(chǎn)生一光電流時，監(jiān)測該輸出電壓信號的一電壓變化，并根據(jù)該電壓變化與一超額偏壓電平來產(chǎn)生一重置電平(步驟S820);接著，將重置電平提供至負載的第二端(步驟S830)。
[0128]在上述的步驟S820中，監(jiān)測該單光子雪崩光電二極管的第二端上該輸出電壓信號的一電壓變化，并獲得一極值電壓電平并定義為抑制電平。之后，將抑制電平迭加超額偏壓電平后形成重置電平。
[0129]或者，在上述的步驟S820中，先將該輸出電壓信號迭加一超額偏壓電平后形成一第一電壓信號，接著再監(jiān)測該第一電壓信號的電壓變化，并獲得一極值電壓電平，并定義為重置電平。
[0130]又或者，在上述的步驟S820中，將一超額偏壓切分成數(shù)個小份的超額偏壓值，并將電壓信號輸出端的電壓信號迭加于一超額偏壓之上的操作，切分成數(shù)次累加操作，且可彈性處理信號迭加與極值電壓電平獲得的擺放順序。
[0131]根據(jù)以上的說明，本公開實施例在于不論電源供應器提供的供應電壓Vcip以及單光子雪崩光電二極管SPAD的崩潰電壓電平Vbd如何改變，當單光子雪崩光電二極管SPAD不動作(off)時，單光子雪崩光電二極管SPAD的跨壓可準確的控制在為崩潰電壓電平VjJ口上超額偏壓電平\。
[0132]再者，由于本公開可以在單光子雪崩光電二極管SPAD提供準確的超額偏壓電平\。因此，本公開更可以改變電位移轉器所接收的超額偏壓電平I，進一步達成具備高動態(tài)范圍的控制系統(tǒng)。
[0133]綜上所述，雖然本公開已以實施例公開如上，然其并非用以限定本公開。本公開所屬技術領域的技術人員在不脫離本公開的精神和范圍內(nèi)，當可作各種的更動與潤飾。因此，本公開的保護范圍當視所附權利要求書界定范圍為準。
【主權項】
1.一種單光子雪崩光電二極管的超額偏壓控制系統(tǒng)，包括: 電源供應器，產(chǎn)生供應電壓； 單光子雪崩光電二極管，具有第一端接收該供應電壓，具有第二端產(chǎn)生輸出電壓信號; 控制電路，連接在該單光子雪崩光電二極管的該第二端，其中，該控制電路根據(jù)該輸出電壓信號的變化以及超額偏壓電平來獲得重置電平；以及 負載，具有第一端連接至該單光子雪崩光電二極管的該第二端，具有第二端連接至該控制電路用以接收該重置電平。2.如權利要求1所述的超額偏壓控制系統(tǒng)，其中該單光子雪崩光電二極管的陰極端接收該供應電壓，該單光子雪崩光電二極管的陽極端產(chǎn)生該輸出電壓信號。3.如權利要求2所述的超額偏壓控制系統(tǒng)，其中該控制電路包括: 采樣與保持電路，根據(jù)該輸出電壓信號的變化來獲得極值電壓電平并為抑制電平；以及 電位移轉器，接收該超額偏壓電平并將該抑制電平減去該超額偏壓電平而成為該重置電平。4.如權利要求2所述的超額偏壓控制系統(tǒng)，其中該控制電路包括: 電位移轉器，接收該輸出電壓信號與該超額偏壓電平，并將該輸出電壓信號減去該超額偏壓電平而成為第一電壓信號；以及 采樣與保持電路，根據(jù)該第一電壓信號的變化來獲得極值電壓電平并為該重置電平。5.如權利要求1所述的超額偏壓控制系統(tǒng)，其中該單光子雪崩光電二極管的陽極端接收該供應電壓，該單光子雪崩光電二極管的陰極端產(chǎn)生該輸出電壓信號。6.如權利要求5所述的超額偏壓控制系統(tǒng)，其中該控制電路包括: 采樣與保持電路，根據(jù)該輸出電壓信號的變化來獲得極值電壓電平并為抑制電平；以及 電位移轉器，接收該超額偏壓電平并將該抑制電平加上該超額偏壓電平而成為該重置電平。7.如權利要求5所述的超額偏壓控制系統(tǒng)，其中該控制電路包括: 電位移轉器，接收該輸出電壓信號與該超額偏壓電平，并將該輸出電壓信號加上該超額偏壓電平而成為第一電壓信號；以及 采樣與保持電路，根據(jù)該第一電壓信號的變化來獲得極值電壓電平并為該重置電平。8.如權利要求1所述的超額偏壓控制系統(tǒng)，還包括一抑制重置電路，接收該輸出電壓信號，并且在該輸出電壓信號到達一臨限值時，控制該負載的該第一端與該第二端之間為斷開狀態(tài)。9.如權利要求3、4、6、7或8所述的超額偏壓控制系統(tǒng)，其中該控制電路包括電壓調(diào)整器接收該重置電平，并增強該控制電路的輸出驅動能力，使得該負載的該第二端快速穩(wěn)定在該重置電平。10.一種單光子雪崩光電二極管的超額偏壓控制方法，包括下列步驟: 控制單光子雪崩光電二極管操作在蓋格模式，其中該單光子雪崩光電二極管的第一端連接至電源供應器，該單光子雪崩光電二極管的第二端產(chǎn)生輸出電壓信號，負載的第一端連接至該單光子雪崩光電二極管的該第二端，該負載的第二端接收重置電平； 當該單光子雪崩光電二極管產(chǎn)生光電流時，監(jiān)測該輸出電壓信號的電壓變化，并根據(jù)該電壓變化與超額偏壓電平來產(chǎn)生重置電平；以及將該重置電平提供至該負載的第二端。11.如權利要求10所述的超額偏壓控制方法，還包括下列步驟: 監(jiān)測該單光子雪崩光電二極管產(chǎn)生的該輸出電壓信號的該電壓變化，并獲得極值電壓電平定義為抑制電平；以及 將該抑制電平迭加該超額偏壓電平后形成該重置電平。12.如權利要求10所述的超額偏壓控制方法，還包括下列步驟: 將該單光子雪崩光電二極管的該輸出電壓信號迭加該超額偏壓電平后形成第一電壓信號；以及 監(jiān)測該第一電壓信號的電壓變化，并獲得極值電壓電平并定義為該重置電平。
【文檔編號】G05F1/56GK105988497SQ201510088134
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2015年2月26日
【發(fā)明人】蔡嘉明, 章博璿, 郭明清, 楊子毅
【申請人】財團法人工業(yè)技術研究院