单光子探测器APD的外围抑制电路设计

其加工任务的实现需
要通过各层控制模块
之间的协调通信完成
的 。控 制 模 块 之 间 通 过
传递各种消息进行通
信 。加 工 任 务 是 从 上 层
模块分解传递给下层
模块， 而下层模块又需
要反馈其对加工命令
的执行状态。因此， 数
控消息主要为两类消
息： 命令消息和状态消
图 ３． 控制模块的继承关系图
息 。每 种 控 制 模 块 都 有 自身的命令消息喝状
解决同步问题。根据面向对象程序设计思想， 提供一个类对底层基于
共享内存和信号量的通信实现进行封装， 为控制模块提供通信操作接
口 。定 义 此 类 为 共 享 内 存 类 。当 控 制 模 块 之 间 需 要 建 立 共 享 内 存 区 进
行通信时， 通过共享内存类创建一个共享内存对象。控制模块之间的
ＡＰＤ 的外围抑制电路必须实现以下几个功能： （１）感应雪崩电流 的 前沿； （２）产生与雪崩 上 升 沿 同 步 的 标 准 输 出 脉 冲 ； （３）在 雪 崩 到 来 时 降 低偏置电压， 使之低于雪崩电压， 从而抑制雪崩 ； （４）重建偏置电压到雪 崩电压之上， 以探测下一个光子。抑制电路的特性会影响探测器的操 作条件， 进而影响其实际性能。最简单的抑制方式是将 ＡＰＤ 和一个大 电阻串联而成， 当雪崩到来时， 电源电压大部分由抑制电阻所分压， 从 而使流经 ＡＰＤ 的电流 低于 ＡＰＤ 的雪崩 熄 灭 阈 值 ， 雪 崩 终 止 。 这 种 方 式称为无源抑制方式， 它的实现方式简单， 但恢复时间较长， 限制了光 子计数测量的动态范围和探测器的总体性能［２］［３］。因此， 在量子 通信 等计数率要求高的系统中， 通常采用有源抑制或门控工作方式。有源 抑制是通过 外围电路迅速抑制雪崩并 将 ＡＰＤ 恢复到初始状态以使它 能 探测下一个光子， 它的响应 时间受晶体管开关而不 是 ＲＣ 电 路 的 限 制。这样， 大大降低了恢复时间。有源抑制和无源抑制相比， 具有更短 的死时间， 更小的暗计数和更高的计数率［４］［５］［６］。而在光子到达 时间 已知的情况下， 可以使探 测器工作在门控方式， 使 ＡＰＤ 仅 在光子到达 的时候工作在盖革模式， 这样， 大大地提高了光子计数的性能和工作 的安全性。门控工作方式要求门信号和光子信号之间完全同步， 否则 会降低计数率。但是在量子密钥分发系统（ＱＫＤ）中， 这一点是完全可以
开关 ＳＱＵＥＮＣＨ 和 ＳＲＥＳＥＴ 先后断开， 电路准 备 好 进 行 下 一 次 光 子 探 测。雪崩抑制过程完成。
结合以上思想， 我们设计了带门控的无源有源抑制集成电路， 并 开发了 ＰＣＢ 印刷电路板， 其 ＰＣＢ 设计图和实物图见图 ２。目前开发的 ＰＣＢ 板尺寸为： １２．５×１０ ｃｍ２。通过合理的设计 布局， 可以更好地 实 现 器件的小型化和集成化。
单光子探测器 ＡＰＤ 的外围 抑制电路设计
ＩＴ 技 术
吕 华 １ 彭孝东 ２
１．广东 工 业 大 学 物 理实 验 中 心 ， 广 东 广州 ， ５１００９０； ２．华南 农 业 大 学 工 程学 院 ， 广 东 广 州 ， ５１０６４２
［摘 要］ 在盖革模式下， 为了保证器件的安全工作并对下一个光子信号响应， 设计出一种适用于单
计实验室参加电子工艺实习。近几年来， 为了适应教学改革的不断深 入和信息技术的飞速发展， 我们相应的改革电子工艺实习课程， 重新 修订了大纲， 改进了部分电子工艺实习的主要学习内容， 主要项目有： 电子工艺实习中常用测试仪器的操作， 元器件 的识别、测试； 焊接技术 训练； 印制电路的设计与制作； 实际产品制作； 整机装配与测试和总 结。所涉及内容为： 触电及其对人体的危害； 安全常识； 认识电子元器 件、电子材料， 学会电子工艺实习中常用测试 仪器的操作； 掌握用万用 表对各类电子元件进行检测和性能的判别以及用万用表检测半导体 器件； 印制电路排版设计前的准备； ； 印制板上的干扰和抑制； 印制电 路设计、布线的一般原则； 印制电路板的制作的设计方法； 印制 电路的 排版设计与制作； ＦＭ／ＡＭ 收音 机的原理介绍； 收 音 机 的 整 机 装 配 与 测 试； 声光控延时开关的原理介绍； 声光控延时开关的装配与测试等。
３ 电子工艺实习教学中存在问题与不足 在实际教学过程中也发现了一些问题： 学 校 对 电 子 工 艺 实 习 的 重 视 不 够 。这 主 要 表 现 在 认 为 电 子 工 艺 就 是烙铁加电路板， 电子工艺与系统设计实验室经费投入少， 隶属电工 电子实验中心， 没有自己的基地， 设备陈旧， 仪器设备问题不能及时解 决， 致使实验室工作经常处于被动地位。这导致不能在全校范围内对 所有理工科学生开展电子工艺实习课程， 人力 、物力分散， 工艺实践教 学队伍稳定性差， 人员流动性大， 很难保证有一个相对稳定的能够深 入开展工艺实践教学的工作环境。
光子雪崩二极管（ｓｉｎｇｌｅ－ ｐｈｏｔｏｎ ａｖａｌａｎｃｈｅ ｄｅｔｅｃｔｏｒｓ： ＳＰＡＤ）的单片集成抑制电路， 结合了无源、有源 抑制和门 控功能， 能在雪崩到来后迅速抑制电流， 抑制时间为 ２５ｎｓ， 最小死时间为 ６０ｎｓ， 通过延时电路控制可以引入 不同的死时间。该电路基本满足单光子探测抑制电路的要求， 为单光子探测外围电路的设计提供了一种可 选的方案。
［关键词］ 量子通信； 单光子探测； 雪崩光电二极管（ ａｖａｌａｎｃｈｅ ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ： ＡＰＤ） ； 无源抑制； 有源抑制
在量子通信中， 需要高效、低噪声的单光子探测器。由于雪崩光电 二 极 管（ ＡＰＤ） 具 有 增 益 大 ， 在 长 波 段 量 子 效 率 较 高 的 特 点 ， 因 此 在 红 外波段范围内被广泛地用作单光子探测器件。为了获得极限灵敏度， ＡＰＤ 在单光子探测应用中通常工作在所谓 的盖革模式下， 即 ＡＰＤ 两 端的偏置电压高于其雪崩电压。当有光子信号到达 ＡＰＤ 时， ＡＰＤ 会被 触发而迅速产生雪崩。为了克服空间电荷， 该电压要保持足够高， 雪崩 无限继续下去， 形成单光子产生的雪崩电流， 在这种方式下， 器件被称 为单光子雪崩二 极管（ＳＰＡＤ）。在这种器件中， 电流一 直持续到偏置电 压低于雪崩 击穿电压为止。为了 防 止 ＡＰＤ 过 流 损 坏 ， 并 使 ＡＰＤ 能 够 对下一个光子信号产生响应， 则需要通过一定的外围抑制电路， 使雪 崩发生后迅速地切断雪崩， 并使 ＡＰＤ 恢复到接收光子的状态［１］。
［关键字］ 电子工艺； 实习； 实践教学； 课程建设
１ 引言 良 好 的 科 学 素 质 是 实 现 我 国 科 技 创 新 的 必 备 条 件 之 一 。培 养 和 造 就大批具有创新意识和创造能力的综合型高技术人才， 已成为现代理 工 类 高 校 高 等 教 育 的 核 心 和 关 键 之 一 。电 子 工 艺 实 习 是 进 行 实 践 教 学 和综合 训 练 、理 论 联 系 实 际 和 培 养 学 生 创 新 精 神 的 有 效 途 径 ， 对 于 电 类工科学生是非常重要的。 电子工艺与系统设计是一门实践性较强， 以实验为主的技术基础 课， 它是工程师基本训练的重要环节之一， 重点培养学生的独立动手 能力和创新能力。在教学过程中， 以实践教学为主， 理论教学为辅， 通 过理论与实验的紧密结合， 使学生了解电子工艺的一般知识， 掌握电 子元器件的基本测试方法和基本组装焊接操作技能， 了解模拟电子系 统和数字电子系统的一般设计方法， 了解先进的现代电子制造技术。 要求学生通过电子工艺实习的训练， 能够 独立完成电路系统设计、元 器件选择、焊 接 、组 装 和 调 试 一 个 小 型 电 子 产 品 ， 为 后 续 的 专 业 实 验 、 课程设计、毕业设计等奠定良好基础。南京信息 工程大学较早在电类 各专业开设电子工艺实习课程， 随着教学改革的不断深入， 在实际教 学中存在一下期待解决的问题， 通过不断的深化教学改革形成了一系 列行之有效的措施。 ２ 电子工艺实习课程的现状 目前我校所开设的电子工艺实习课程主要集中在电类各专业， 还 有部分高等职业技术学院和民办自费班的学生到设
陈晓
南京信息工程大学电子信息工程系， 南京 ２１００４４
［摘 要］ 根据电子工艺课程的发展和要求， 从教学实践出发 ， 对电子工艺实习课程的现状 、教学中
存在的问题与不足进行了归纳总结， 分析了主要产生原因。并针对存在的问题和不足提出了进行基地建 设、改革实习内容、提高自身 教师素质等改进的措施和 建议， 以便进一步提高电子工 艺实习课程教学的质 量效果， 培养高素质的应用型人才。
态消息， 这些消息可从通用的命令消息和状态消息派生出来。
控制模块之间的通信只是信息的传递， 而不是控制模块之间的持
续对话。消息的传递可采用异步传递， 即发送消息的模块无需等待接
收模块准备好就可以发送消息。根据此特点， 可使用最底层的、最快速
的共享内存通信机制实现模块间的通信， 并借助信号量同步机制协助
图 １ 无源－ 有源混合抑制集成电路原理框图 Ｆｉｇ． １ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｂｌｏｃｋ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｔｈｅ ｐａｓｓｉｖｅ－ ａｃｔｉｖｅ ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ ｉｎｔｅｇｒａｔｅ ｃｉｒｃｕｉｔ
输出触发脉冲经过一个延迟时间可变的延时电路进行延时， 以使 工作电压在一段时间内维持在熄灭水平。接着， 脉冲通过复位电路， 使 恢复开关 ＳＲＥＳＥＴ 闭合。最后， 当 ＩＮ 节点的电压恢复到 ＶＨ 的水平时，
做到的， 因而它是 ＱＫＤ 系统中的一种理想的选择［７］。 １ 带门控的无源－ 有源抑制电路 图 １ 所示为无源－ 有源混合抑制方式的电路原理框图。在这种方
式中 ， ＡＰＤ 由 一 个 幅 度 为 － ＶＬ～＋ＶＨ 的 电 压 所 偏 置 ， 即 总 偏 压 幅 度 为 ＶＨ－ （－ ＶＬ）。在操作中， 一般使 ＶＬ 略小于雪崩电压 ＶＢ， ＶＨ 则根据所需要 的过偏压 ＶＥ＝ ＶＨ－ （－ ＶＬ）－ ＶＢ 的大小来决定。ＡＰＤ 和 一个大电阻 ＲＱ 串 联， 这时 ＡＰＤ 处于 探测光子的准备阶段。当有光 子到达并触发雪 崩 时， 电路 中的电容（ 包括 ＡＰＤ 结电容和分布 电容） 开始放电， 无源抑制 过程开始。快感应级迅速地探测到 ＲＱ 两端的电压降， 并通过外围电路 使抑制开关 ＳＱＵＥＮＣＨ 闭合， 进而使 ＩＮ 节点 的电压降到低电位， 雪 崩 熄灭， 从而实现了有源抑制。控制逻辑电路块输出一个标准 的 ＴＴＬ 输 出脉冲， 作为光子计数和光子到达时间的测量之用。在控制逻辑电路 中还引入了可选的门控功能， 可通过门信号对雪崩进行抑制和恢复。