文超+郭阳宽+祝连庆+那云虓+孟浩+常海涛

摘 要： 设计了一种主动抑制系统，用以控制APD在单光子计数检测时的死区时间。该系统主要利用ECL（射随耦合逻辑）电平电路对雪崩脉冲进行快速甄别从而判断光子到来与否，再将比较器输出的脉冲通过整形处理输出给延时电路，利用CPLD搭建延时电路，输出两路延时脉冲，两路延时脉冲分别输出给主动抑制电路和快恢复电路，以完成APD死区时间的控制。此主动抑制系统，有效地将死区时间缩短在45 ns；将光子计数率提高到20 MHz。

关键词： APD； 主动抑制； 死区时间； ECL电平； CPLD

中图分类号： TN911.74?34； TH776 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）03?0125?03

Active?quenching system on APD single?photon count

WEN Chao1，2， GUO Yang?kuan1，2， ZHU Lian?qing1，2， NA Yun?xiao1，2， MENG Hao1，2， CHANG Hai?tao3

（1. Key Laboratory for Optoelectronic Measurement Technology， Beijing Information Science and Technology University， Beijing 100192， China；

2. Beijing Engineering Researching Center of Optoelectronic Information & Instruments， Beijing Information Science and Technology University， Beijing 100192， China；

3. School of Instrument Science & Optoelectronics Engineering， Beijing University of Aeronautics and Astronautics， Beijing 100083， China）

Abstract： An active?quenching system is designed to control the dead time of Avalanche Photon Diode （APD） in signal photon counting detecting. The system mainly uses ECL （Emitter coupled logic） level circuit to compare with avalanche pulse quickly and determine whether the photon is coming or not， and then output the pulse of the comparator and shape it to the delay circuit. Using CPLD set up the delay circuit， two delay pulses are output to the active?quench circuit and fast reset circuit respectively to control the dead time of the APD. The active?quenching system could shorten the dead time to 45 ns effectively， and increased photon count rate to 20 MHz.

Keywords： APD； active?quenching； dead time； ECL level； CPLD

0 引 言

单光子计数技术是一种检测微光的重要方法，在医疗仪器、大气污染、分子生物学以及光子统计测量[1]等领域有着广泛的应用。单光子探测器件有很多，例如光电倍增管、雪崩光电二极管、雪崩二极管阵列和电子增强CCD等[2]；其中光电倍增管应用较多、技术成熟，其外围电路简单，探测效果好，但其外形体积大、负高压源使其在小型化设备上应用受到了限制。雪崩光电二极管（Avalanche Photo Diode，APD），具有探测灵敏度高、暗电流低、体积小、功耗低和集成度高等优点[3]，可以应用在便携设备及各种军事上，随着科技的进步，这些应用是发展的趋势[4?5]。

APD工作在雪崩击穿电压之上即盖革模式时，才能够检测到单个光子。但APD长时间工作在盖革模式下，任何光子的吸收都会产生自侍雪崩，从而导致APD永久性损坏[6]。因此需要对APD工作电压进行抑制控制。对APD电压控制就会导致死区时间的出现，死区时间对探测效果的影响主要体现在光子计数分布的改变以及光子速度频率上限的减小上。司马博羽等研究表明[3]，死区时间会使探测器输出的光子计数值减小，其分布会更加集中，并且死区时间越大，入射光子速率越高，这种效应就越明显。因此，应将APD的死区时间控制的越小越好。

目前对APD死区时间的控制方法主要是控制其两端的击穿电压，分为被动抑制、主动抑制和门控抑制[7?8]。其中，主动抑制是一种较为常用的方法[9]。Hua L?通过采取带门控的无源与有源抑制相结合的方法[10]和Rosario Mita，Gaetano Palumbo，Giorgio Fallica通过采用PMOS和NMOS晶体管代替原有的抑制和快恢复电路的措施[11]，都将死区时间降低到最低60 ns。

本文设计了一种主动抑制系统，通过ECL电平电路，进行快速甄别，检测出雪崩信号，同时利用CPLD快速的产生抑制脉冲和快恢复脉冲输出给抑制和快恢复电路进行控制。

1 主动抑制系统设计

1.1 主动抑制系统原理分析

主动抑制系统的原理主要是通过外界的干预控制APD两端的击穿电压，在人为干预的这段时间里，APD是不能进行探测的，从而把这段时间称之为死区时间。死区时间要控制在两个光子之间，因此，光子频率就决定了死区时间的长短，光子频率越高，死区时间越短。为了提高单光子计数精度要求，防止光子堆叠和光子漏记现象，死区时间应越短越好。APD死区时间及主动抑制与快恢复时序图如图1所示。

图1 抑制与快恢复电路时序图

光子到达雪崩二极管后，会产生雪崩脉冲，脉冲经过高速比较及整形器产生的雪崩检测脉冲会有一定的延时[t1]之后输出的信号脉冲经过延时[t2]输出抑制脉冲（Quench），抑制脉冲再经过延时[t3]输出快恢复脉冲（Reset），快恢复脉冲持续一段时间即[t4。]

从原理分析，此单光子计数的主动抑制系统整体的死区时间为：

[T=t1+t2+t3+t4] （1）

其中，[t1]的时间无法控制，它是由高速比较及整形电路决定的；[t2]是由CPLD确定的，CPLD时钟越高，其反应时间越快，此延时就越小；[t3]和[t4]是由CPLD来调控的，可以根据要求改变其持续时间的大小。

由时序图可知，当[Tt5]时，就不会出现光子数漏记和光子堆叠现象，其中，[t5]是下一个光子到来的时间。

1.2 主动抑制系统设计

整个系统包括雪崩信号甄别模块、抑制和快恢复脉冲产生模块以及抑制和快恢复模块三个部分，整体结构如图2所示。

图2 主动抑制电路系统图

1.2.1 雪崩信号甄别电路

ECL是带有射随输出结构的典型输入输出接口电路；ECL电路最大的特点就是具有很高的速度，平均延时可能只有几纳秒甚至更少。本文的雪崩信号甄别模块主要就是应用基于ECL逻辑电平的电路，其延时在300 ps～4 ns之间。

利用APD作为前端微光探测器，光子到来时，APD产生一个光子脉冲信号即雪崩信号，高速甄别电路甄别此信号，以产生雪崩检测脉冲信号。雪崩信号甄别电路如图3所示。

图3 雪崩信号甄别电路

1.2.2 抑制和快恢复脉冲产生模块

雪崩脉冲通过甄别电路，输出雪崩检测脉冲，送入到CPLD；雪崩检测脉冲输入到CPLD，CPLD输出一路波形标准的抑制脉冲；延时10 ns，再输出快恢复脉冲。CPLD产生的抑制脉冲和快恢复脉冲波形标准，延时精确，为后面的抑制和快恢复电路提供标准的控制信号。

1.2.3 抑制和快恢复模块

抑制和快恢复电路是由抑制和快恢复脉冲控制的。控制原理如图4所示，雪崩检测脉冲触发CPLD产生抑制脉冲信号（Quench），MOS管Q1会断开，此时APD两端压降降低，降到击穿电压之下，完成雪崩猝熄。经过一段延时，CPLD产生快恢复脉冲信号（Reset），使MOS管Q2导通，从而使APD阴极直接与地连接，APD两端电压迅速加到雪崩击穿电压之上，持续一段时间，APD阴极端通过电阻与地连接，等待下一个光子到来。

图4 抑制和快恢复电路

2 实验结果论证及分析

本文采用信号发生器模拟雪崩脉冲信号，梁创等研究表明 [12]，APD输出的单光子脉冲波形为35 ns，电压为27 V，经过电阻分压以后，将电压降至2.5 V，因此，可以利用信号发生器模拟真实的雪崩脉冲信号，不会对后续测量电路引入误差及造成影响。

将此脉冲输入给雪崩信号甄别电路，再经过主动抑制及快恢复电路系统，实现对死区时间的控制。主动抑制系统实验结果波形如图5所示。

图5 实验结果波形图

利用信号发生器产生幅值为2.5 V、频率为10 MHz的方波，但信号发生器在最大频率10 MHz时波形畸变，导致示波器波形不标准。将信号发生器输出的方波输出给电路系统，分别在不同监测点检测出各个脉冲波形，图中波形纹波较大，主要原因是由于示波器多个探头同时探测引入干扰，在逐个单一用示波器探头探测时，不会出现大的纹波。

图5中波形依次是雪崩信号、雪崩检测信号、抑制脉冲信号（Quench）和快恢复脉冲信号（Reset）。在雪崩信号的下降沿时，经过电压甄别、整形及电平转换电路，输出雪崩检测信号，输入给CPLD；CPLD检测到雪崩检测信号，立即产生主动抑制脉冲信号，但由于CPLD反应时间的限制，抑制脉冲信号要比CPLD输入信号延迟15 ns；输出主动抑制脉冲信号之后，延迟20 ns，再输出快恢复脉冲信号。

由式（1）及波形图可知：

[T=t1+t2+t3+t4=45 ns]

该主动抑制系统死区时间可达到45 ns，理论可检测光子频率可到达[f=1T=22]MHz。

3 结 论

本文主要研究了一种缩短APD死区时间、提高APD单光子计数频率的主动抑制系统，主要是应用ECL电平电路对雪崩信号进行快速甄别；利用CPLD产生两路抑制和恢复脉冲，这样产生的脉冲延时精确、波形标准、稳定。结果表明，本文研究的系统可以将APD死区时间缩短到45 ns，光子频率可达到20 MHz。该结论提高了APD在极微弱光的检测方面的应用价值，为一些精密仪器便携化做好基础准备。

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