| 主权项 |
1.一种单一光子读出电路,其包含有: 一光检测器,其响应于入射光子而产生一小信号检 测器电流; 一电流镜,其具有展现1/f杂讯的一负载场效电晶体 (FET)和一增益FET,该小信号检测器电流调变该负载 FET之闸极至源极电压,后者则调变该增益FET之闸极 至源极电压,使得该增益FET导通为该小信号检测器 电流之一放大复本的一信号电流,该光检测器具有 一电容量且该负载FET具有一互导gload,它们一起界 定限制该电路之带宽的一个RC时间常数;及 一放大器,其被连接在绕着该负载FET之闸极至源极 电压的一负回授回路中,该放大器将该负载FET对检 测电流上的改变之响应时间减小,使得RC时间常数 除以放大器之增益因而扩大该电路之带宽,该放大 器对于一给定检测器电流也插连该负载FET之闸极 电压,使得否则将导出增益FET之调变上的一些抖动 量的负载FET之1/f杂讯被传送至该放大器。2.依据 申请专利范围第1项之读出电路,其中该增益FET有 一互导ggain,该等负载和增益FET共同一共同闸极,使 得该电流镜之增益由它们的互导之比率设定。3. 依据申请专利范围第2项之读出电路,其中该负载 FET在它的闸极至源极电压为检测器电流之一对数 函数的它的次临界区中操作,而该增益FET在该信号 电流为它的闸极至源极电压之平方之一函数的饱 和状态下操作,使得互导比率,以及因此电流镜之 增益,随在检测器电流上的改变对数地变化。4.依 据申请专利范围第3项之读出电路,其中该等FET系 具有个别汲极和源极的N通道元件,该负载FET之汲 极被连接至该光检测器而它的源极被连接至反向 偏压该光检测器的一第一偏压电压,该增益FET之汲 极被连接至在其上提供有该信号电流的一输出端 子,而它的源极被连接至设定它的公称闸极至源极 电压的一第二偏压电压,使得该增益FET之互导大于 负载FET之互导。5.依据申请专利范围第1项之读出 电路,其中该增益FET有一互导ggain,且它的闸极被连 接至该负载FET之源极,该读出电路更包含有: 一负载电阻器,其与该负载FET之源极串联连接;及 一增益电阻器,其与该增益FET之源极串联连接,该 等负载和增益电阻器之阻値Rl和Rg分别支配负载和 增益FET之互阻抗(1/gload)和(1/ggain),使得该电流镜之 增益由该负载对该等增益FET阻値之比率所设定并 大致与该小信号检测器电流无关。6.依据申请专 利范围第5项之读出电路,其中该等负载和增益电 阻器中之至少一个系一可变电阻器。7.依据申请 专利范围第6项之读出电路,其中该可变电阻器包 含一切换的电容器。8.依据申请专利范围第1项之 读出电路,其中当入射光子之数目被减少趋向零时 ,该放大器之负回授回路慢下来达至被电流镜设定 的该RC时间常数以维持稳定化,且随着光子数目增 加,该放大器恢复并加速该回授回路以增大该电路 之带宽。9.依据申请专利范围第1项之读出电路,其 更包含: 一取样电路,其以一取样频率fs取样该信号电流,该 取样频率fs超过该电流镜由其RC时间常数界定的带 宽但小于由该电流镜之RC时间常数所界定而被该 放大器之增益定尺度的该电路之扩大的带宽,使得 经取样之信号电流正确地追随该小信号检测器电 流。10.依据申请专利范围第9项之读出电路,其中 该取样电路包含有: 一电容器,其取该信号电流之积分以界定一信号电 压; 一取用切换器,其以该取样频率fs定时钟以读取该 信号电压;及 一重置切换器,其被定时钟以在该信号电压被读取 后令该电容器放电。11.依据申请专利范围第1项之 读出电路,其中该光检测器将各入射光子转换成一 单一电子,使得整个该增益由该电流镜提供。12.一 种单一光子读出电路,其包含有: 一反向偏压光检测器,其响应于各入射光子而导通 一单一电子以产生一小信号检测器电流,该光检测 器有一特性电容量; 具有1/f杂讯的一负载场效电晶体(FET),其自我调整 其闸极至源极电压以导通该光检测器之小信号检 测器电流,该FET操作在它的闸极至源极电压为该检 测器电流之一对数函数并界定一互导gload之它的 次临界区中,该光检测器之电容量和该负载FET之互 导一起界定限制该电路之带宽的一个RC时间常数; 一放大器,其被连接在绕着该负载FET之闸极至源极 电压的一负回授回路中,其中当入射光子之数目趋 近零时,该放大器之负回授回路慢下来趋向由该RC 时间常数设定的带宽以维持一稳定闸极电压,且随 着光子数目增加,该放大器之负回授回路加速以用 该放大器之增益除该RC时间常数并扩大该电路之 带宽,该放大器对于一给定检测器电流也插连该负 载FET之闸极电压,使得该负载FET之1/f杂讯被传送至 该放大器; 一增益FET,具有被该负载FET之闸极电压调变的一闸 极、一汲极、及被偏压以界定一互导ggain并以饱 和状态操作该增益FET的一源极,该增益FET在饱和状 态下之汲极电流为其之经调变闸极至源极电压之 平方的一个函数,该汲极电流以由随检测器电流对 数地变化的比例ggain/gload设定的增益提供该小信 号检测器电流之一放大的复本;及 一取样电路,其以一取样频率fs取样该汲极电流,该 取样频率fs超过由该RC时间常数界定的带宽但小于 该电路之经扩大带宽,使得经取样信号电流正确地 追随该小信号检测器电流。13.依据申请专利范围 第12项之读出电路,其中该取样电路包含有: 一电容器,其取该信号电流之积分以界定一信号电 压; 一取用切换器,其以该取样频率fs定时钟以读取该 信号电压;及 一重置切换器,其被定时钟以在该信号电压被读取 后令该电容器放电。14.依据申请专利范围第12项 之读出电路,其中该等FET系具有个别汲极和源极并 共同一共同闸极的N通道元件,该负载FET之汲极被 连接至该光检测器而它的源极被连接至反向偏压 该光检测器的一第一偏压电压。15.一种单一光子 读出电路,其包含有: 一反向偏压光检测器,其响应于各入射光子而导通 一单一电子以产生一小信号检测器电流,该光检测 器有一特性电容量; 具有1/f杂讯的一负载场效电晶体(FET),其自我调整 其闸极至源极电压以导通该光检测器之小信号检 测器电流,该FET操作在它的闸极至源极电压为该检 测器电流之一对数函数并界定一互导gload之它的 次临界区中,该光检测器之电容量和该负载FET之互 导一起界定限制该电路之带宽的一个RC时间常数; 一负载电阻器,其被连接至该负载FET之源极并传导 该检测器电流,该负载电阻器之阻値R1支配该负载 FET之互阻抗(1/gload)以使它的响应线性化; 一放大器,其被连接在绕着该负载FET之闸极至源极 电压的一负回授回路中,其中当入射光子之数目趋 近零时,该放大器之负回授回路慢下来趋向由该RC 时间常数设定的带宽以维持一稳定闸极电压,且随 着光子数目增加,该放大器之负回授回路加速以用 该放大器之增益除该RC时间常数并扩大该电路之 带宽,该放大器也插连该负载FET之闸极电压,使得 该负载FET之1/f杂讯被传送至该放大器且该检测器 电流调变该FET之源极电压; 一增益FET,具有被在该负载电阻器一端之该负载FET 之闸极电压调变的一闸极、一汲极、及被偏压以 界定一互导ggain并以饱和状态操作该增益FET的一 源极,该增益FET在饱和状态下之汲极电流为其之经 调变闸极至源极电压之平方的一个函数,该汲极电 流提供该小信号检测器电流之一放大的复本; 一增益电阻器,其与该增益FET之源极连接并导通该 信号电流,该增益电阻器之阻値Rg支配该增益FET之 互阻抗(1/ggain)以使其响应线性化,使得该电路之增 益由独立于检测器电流之比率R1/Rg所设定;以及 一取样电路,其以一取样频率fs取样该汲极电流,该 取样频率fs超过由该RC时间常数界定的带宽但小于 该电路之经扩大带宽,使得经取样信号电流正确地 追随该小信号检测器电流。16.依据申请专利范围 第15项之读出电路,其中该等负载和增益电阻器中 之至少一个系一可变电阻器。17.依据申请专利范 围第16项之读出电路,其中该可变电阻器包含一切 换的电容器。18.依据申请专利范围第15项之读出 电路,其中该取样电器包含有: 一电容器,其取该信号电流之积分以界定一信号电 压; 一取用切换器,其以该取样频率fs定时钟以读取该 信号电压;及 一重置切换器,其被定时钟以在该信号电压被读取 后令该电容器放电。图式简单说明: 第一图系根据本发明用于已知检测器之单一光子 读出的一超低杂讯、高增益介面电路之一结构图; 第二图系在第一图中所示的介面电路之负载线的 一个I-V绘图; 第三图系用于在视讯图框率的已知光检测器之单 一光子读出的一超低杂讯高增益线性化介面电路 之一结构图; 第四图系在第三图中所示的线性化介面电路之负 载线的一绘图; 第五图系在介面电路中所用的一单端放大器之一 实施例的一结构图; 第六图系在介面电路中使用的差分放大器之一实 施例的一结构图;及 第七图系在第一图中显示的介面电路之一混合信 号实施例的一简化截面图。 |
