Architectures des circuits d’étouffements

Le circuit passif utilise la résistance, le condensateur et l’inductance pour contrôler l’ava- lanche de la photodiode avalanche monophotonique en mode Geiger. Le circuit passif peut être illustré sous sa forme simplifiée (2.7). Dans cet exemple, il se compose de deux résis- tances pour effectuer l’étouffement et d’un comparateur pour produire le signal de sortie suite à une détection. Au départ, il n’y a pas de courant qui circule, étant donné qu’il y a une photodiode à l’inverse dans le circuit, l’équivalent d’un interrupteur ouvert. Lorsqu’un photon entre dans la zone de déplétion et crée une avalanche, un courant traverse la pho- todiode. Le courant augmente et atteint une valeur maximale qui impose une tension aux bornes des résistances RSet RL. La tension aux bornes de RSdoit être suffisante pour être

détectée par le comparateur pour qu’il envoie le signal de détection. Les tensions combi- nées aux bornes de RS et RL doivent être suffisantes pour abaisser la tension aux bornes

de la photodiode sous la tension de claquage. La tension aux bornes de la photodiode s’abaisse au rythme du taux de décharge des condensateurs à l’anode de la photodiode, ce qui représente le temps d’étouffement. Une fois les condensateurs déchargés, la tension aux bornes de la photodiode diminue sous la tension de claquage provoquant l’arrêt de l’avalanche. La photodiode ne conduit plus et redevient un interrupteur ouvert. La ten- sion aux bornes de la photodiode remonte à la valeur de VA selon le temps de charge des

condensateurs CP et CD, qui représente le temps de recharge. La photodiode reprend son

état initial et peut à nouveau détecter des photons.

Le circuit actif utilise des transistors ou des circuits logiques pour étouffer et recharger la photodiode (figure 2.8). Le circuit actif modifie la tension de polarisation de la pho- todiode en imposant une tension à l’anode de la photodiode avec un transistor opéré en commutateur. Lorsque la photodiode se déclenche, la tension à l’anode de la photodiode augmente et la sortie du comparateur change lorsque son seuil est atteint. À ce moment-là, le comparateur envoie un signal de détection vers la sortie et active le transistor d’étouffe- ment imposant la tension d’excès à l’anode de la PAMP. Cette augmentation de la tension a pour effet de diminuer la tension de polarisation de la photodiode sous la tension de claquage, ce qui provoque l’arrêt de l’avalanche. Au moment où le temps d’attente se ter- mine, le transistor d’étouffement se ferme et le transistor de recharge s’active. L’activation

Figure 2.7 Circuit d’étouffement passif [84]

du transistor de recharge ramène la tension à l’anode de la PAMP à la masse. Lorsque le temps de recharge se termine, le transistor de recharge se ferme et la photodiode peut de nouveau détecter un photon.

Figure 2.8 Circuit d’étouffement actif [61]

Le circuit d’étouffement mixte combine le circuit passif et actif dans un même circuit pour obtenir les avantages des deux types de circuits [83]. Il existe différentes combinai- sons possibles comme l’étouffement passif et la recharge active, l’étouffement actif et la recharge passive et la combinaison du type passif et actif pour le circuit d’étouffement ou de recharge. Par exemple, le circuit combinant passif et actif pour l’étouffement avec une recharge active possède les meilleures caractéristiques pour diminuer la quantité de charges de l’avalanche [37]. Pour ce circuit, au déclenchement de la photodiode, le cou- rant augmente, ce qui provoque l’augmentation de la tension aux bornes des résistances RS et RL. Lorsque la tension aux bornes de RS dépasse la tension de seuil du compa-

contrôle active le transistor d’étouffement pour compléter l’étouffement de la photodiode en imposant la tension d’excès à l’anode de la photodiode. Après que le temps mort soit écoulé, le circuit de contrôle ferme le transistor d’étouffement et active le transistor de recharge pour remettre la tension aux bornes de la photodiode à sa condition d’opération. Une fois le temps de recharge terminé, le transistor de recharge se ferme. La photodiode retourne à son état initial et peut à nouveau détecter un photon. Pour les comparaisons des différentes performances dans les sections à venir, le circuit mixte utilisé sera celui possédant un étouffement passif haute impédance formé par une chaîne de transistor avec une recharge active.

Figure 2.9 Circuit d’étouffement mixte [83]

Le circuit d’étouffement avec détection par comparateur de courant propose une alter- native au circuit d’étouffement actif avec comparateur de tension. Le circuit utilise un comparateur de courant dans le but de détecter l’occurrence d’une avalanche en fonction de son courant plutôt qu’avec le développement d’une tension à travers une impédance. Lorsque la photodiode détecte un photon, le courant résultant traverse le transistor M1

connecté en diode et le transistor MQ comme illustré à la figure 2.10. Les transistors M1

et M3 forment un miroir de courant et le courant d’avalanche se reproduit sur l’étage de

sortie. La tension à la sortie diminue, envoyant le signal de détection tout en diminuant la tension de grille de MQ. Cela a pour effet de fermer le transistor MQ et de causer un

circuit ouvert entre la photodiode et la masse, ce qui provoque l’étouffement de la pho- todiode. Au niveau de la recharge, un circuit logique permet d’activer le transistor MR

après l’étouffement de la photodiode. Les circuits d’étouffement actif et mixte utilisent des circuits similaires.

Figure 2.10 Circuit d’étouffement à détection par comparateur de courant [60]