[发明专利]一种电流模式阵列SPAD增益均匀性自适应控制电路

说明书

本发明公开了一种电流模式阵列SPAD增益均匀性自适应控制电路，包括：公共电流偏置模块，与阵列SPAD中的SPAD像素单元数量对应的若干单像素电路，其中每个单像素电路均包括电流监测模块和主动淬灭模块；所述电流监测模块由运算放大器及电流镜构成，主动淬灭模块，由比较器和淬灭管构成，用于根据电流监测模块的输出电压信号触发工作，控制淬灭管产生雪崩淬灭信号；所述电流监测模块由运算放大器OP_i、由PMOS管M_{4_i}和PMOS管M_{5_i}构成的共源共栅电流镜、由NMOS管M_{i_L}和NMOS管M_{i_R}构成的电流镜组成。本发明采用电流模的控制方法自适应控制SPAD的反偏电压，抑制阵列SPAD的增益非均匀性问题，同时克服了传统电压模方式电路复杂的缺点，减少了面积和功耗。

技术领域

本发明涉及一种电流模式阵列SPAD增益均匀性自适应控制电路，属于单光子探测的技术领域。

背景技术

雪崩光电二极管(APD)具有重量小、功耗低、量子效率高、对磁场和辐射不敏感、便于集成等优点，工作在盖革模式下的高性能APD具备单光子探测能力，被称为单光子雪崩光电二极管(SPAD)。因此基于APD的单光子探测系统成为重要研究方向，可用于激光雷达三维成像、环境探测、国防安全、医疗检测等相关领域。

目前，单光子探测器正在向集成化、微型化、阵列化的方向发展，尤其是随着阵列式探测应用的规模不断扩展，对探测器的均匀性提出了更高的要求。对于阵列SPAD，由于工艺离散性的影响，很难保证探测器性能参数的均匀一致性，使得在相同的反向偏压条件下，因SPAD反向击穿电压的不同，各个SPAD过驱动电压分布并不均匀，导致SPAD雪崩电流的离散变化，即阵列SPAD在相同反偏电压条件下增益存在差异。对于增益较低的SPAD像素单元，其雪崩电流感应的电压脉冲难以和噪声电压有效区分而无法检测，给阵列SPAD探测带来较大的误差。因此在阵列应用中需要解决阵列SPAD增益非一致性问题。

传统的解决方法是使用电压模方式，直接控制SPAD的反偏电压，从而实现探测器的过偏压一致，以此确保增益一致。然而在阵列应用中，这些方法需要为每个像素单元的探测器提供可调的反偏电压，还需提前了解每个探测器的击穿电压大小。这类控制方法会增大前期准备的工作量、增加控制端的个数和电路结构的复杂程度，随着阵列规模的扩展和像素单元面积的缩小，这种增益控制方法难以实现。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，为了克服工艺的离散性导致的SPAD探测灵敏度的非线性问题，弱化探测器性能参数的非均匀性带来的影响，同时避免传统电压模式反偏电压控制导致的电路复杂的问题，提供一种电流模式阵列SPAD增益均匀性自适应控制电路，引入了电流模式反偏电压控制思想，实现了阵列SPAD增益的自适应控制。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种电流模式阵列SPAD增益均匀性自适应控制电路，包括：

公共电流偏置模块，由恒流源和电流镜电路构成，用于通过电流镜电路为阵列SPAD的各个SPAD像素单元提供相同的恒流源电流；

与阵列SPAD中的SPAD像素单元数量对应的若干单像素电路，其中每个单像素电路均包括电流监测模块和主动淬灭模块；所述电流监测模块由运算放大器及电流镜构成，用于检测阵列SPAD中SPAD像素单元工作状态，并产生不同的电压信号对阵列SPAD中的SPAD像素单元进行增益自适应控制，同时将输出电压信号作为主动淬灭模块的输入信号；所述主动淬灭模块，由比较器和淬灭管构成，用于根据电流监测模块的输出电压信号触发工作，控制淬灭管产生雪崩淬灭信号；