4. 主动淬灭电路拓扑与工作过程
被动淬灭依靠大阻值淬灭电阻把雪崩电流限制在微安级，靠寄生电容自然放电把偏压拉低。它的优点是简单，缺点是恢复慢、死时间长、后脉冲概率高。主动淬灭的核心思想是：一旦检测到雪崩，就用有源器件在纳秒级时间内把 SPAD 偏压强行拉到击穿电压以下，再按可控时序复位到过偏压，从而把死时间从微秒级压缩到几十纳秒级，并让过偏压可精确设定。
一、主动淬灭的四个基本阶段
无论哪种拓扑，主动淬灭都遵循同一套时序逻辑，可拆成四个阶段：
- 雪崩检测：SPAD 阴极（或阳极）的电流脉冲经感应电阻或电流镜转换为电压脉冲，由比较器与阈值 Vth 比较，输出触发信号。阈值需高于噪声基底、低于最小单光子脉冲幅度。
- 快速降低偏压：触发信号驱动淬灭开关（MOSFET 或 BJT）导通，把 SPAD 两端电压从 Vbd+Vex 拉到 Vbd−ΔV（通常低于击穿电压 0.5～2 V），雪崩在百皮秒内熄灭。
- 保持（死时间）：开关维持导通一段时间 thold，让陷阱能级释放载流子，抑制后脉冲。thold 典型 5～50 ns。
- 复位与再充电：开关关断，恒流源或充电电阻以受控速率把偏压重新抬升到 Vbd+Vex，SPAD 恢复单光子灵敏度，等待下一个光子。
关键参数是过偏压 Vex、阈值 Vth、保持时间 thold 和再充电时间常数 τr=RqCd。Vex 越大，探测效率越高但暗计数和后脉冲也上升；thold 太短则后脉冲增多，太长则死时间变长。
二、主动淬灭相对被动淬灭的收益
把两种方式放在同一组参数下对比，收益非常直观。假设 SPAD 结电容 Cd=5 pF，击穿电压 Vbd=25 V，过偏压 Vex=3 V，被动淬灭电阻 Rq=200 kΩ，主动淬灭开关导通电阻 Ron=50 Ω。
| 指标 | 被动淬灭 | 主动淬灭 | 改善原因 |
|---|---|---|---|
| 淬灭时间 | ~1 μs（RC 放电） | ~0.5 ns（开关强制拉低） | 低阻通路快速泄放 |
| 死时间 | 1～5 μs | 10～50 ns | 保持时间可控且短 |
| 最大计数率 | <1 MHz | >20 MHz | 死时间大幅缩短 |
| 后脉冲概率 | 较高（陷阱未充分释放） | 低（t_hold 可优化） | 保持时间精确控制 |
| 过偏压稳定性 | 随计数率波动 | 由恒压源锁定 | 有源复位 |
需要说明的是，上表为基于典型参数的示例估算，实际数值取决于具体 SPAD 工艺与电路实现。但趋势是明确的：主动淬灭用额外的有源器件换来了时间性能与稳定性的数量级提升。
三、常见主动淬灭架构对比
工程上常用的主动淬灭拓扑主要有三类，各有适用场景。
1. 电压感应型（Voltage-Sensing）：在 SPAD 阳极串一个小感应电阻 Rs（典型 50～200 Ω），雪崩电流在 Rs 上产生电压尖峰，经比较器触发淬灭 MOSFET。优点是结构简单、检测阈值易调；缺点是 Rs 引入额外压降，且比较器输入电容会限制带宽。适合中等计数率、对成本敏感的设计。
2. 电流镜感应型（Current-Mirror）：用电流镜复制雪崩电流，送到高阻节点形成电压。感应路径与偏压通路分离，不引入额外压降，检测灵敏度更高。缺点是电流镜匹配要求高，版图面积较大。适合高探测效率、低过偏压应用。
3. 有源复位型（Active Reset）：在淬灭开关之外再加一个复位开关和恒流源，淬灭后由恒流源以设定斜率充电，复位时间可独立于 RqCd 调节。优点是死时间与恢复斜率完全可控，适合需要精确时间戳的 TCSPC 和量子通信系统；缺点是控制时序复杂，需要额外的时序发生器。
四、时序设计中的关键取舍
主动淬灭的时序不是越快越好。淬灭太快（t_quench 过短）会导致开关瞬间电流过大，可能损伤 SPAD；保持时间 t_hold 太短，陷阱载流子未释放，后脉冲概率上升；再充电太快，过冲可能超过 Vbd+Vex 设计值，增加暗计数。实际调试时，通常先用示波器观察 SPAD 阳极电压波形，确认四个阶段清晰可辨，再逐步调整 t_hold 和 τr，在探测效率与后脉冲之间找平衡点。
一个实用的判断依据是：在固定 Vex 下，扫描 t_hold 从 2 ns 到 50 ns，记录后脉冲概率和死时间。后脉冲概率随 t_hold 增加而下降，但死时间线性上升。选择后脉冲概率已进入平台区、而死时间尚未显著增加的那个 t_hold 值，通常就是该 SPAD 的最佳工作点。