基線(xiàn)電壓保持結(jié)構(gòu)及脈沖整形器的制造方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基線(xiàn)電壓保持結(jié)構(gòu)及直流耦合結(jié)構(gòu)的脈沖整形器。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了對(duì)讀出電路基線(xiàn)電壓漂移的抑制，基線(xiàn)漂移值，即基線(xiàn)電壓與參考電壓的差值轉(zhuǎn)換成電流值并進(jìn)行放大，放大后的電流反饋回前級(jí)輸入端，形成一個(gè)高增益、窄帶寬的負(fù)反饋環(huán)路，從而使得基線(xiàn)電壓固定在參考值。本發(fā)明的方法使得基線(xiàn)電壓值由反饋環(huán)路確定，而不受電路元器件參數(shù)適配等非理想因素的影響；反饋環(huán)路的開(kāi)關(guān)受主信號(hào)通路中有效信號(hào)的控制，保證了基線(xiàn)保持模塊不對(duì)有效信號(hào)產(chǎn)生影響。本發(fā)明可以滿(mǎn)足低功耗、低噪聲輻射探測(cè)系統(tǒng)的要求，將會(huì)獲得廣泛的應(yīng)用。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于輻射探測(cè)系統(tǒng)讀出電路的讀出結(jié)構(gòu)和讀出方法【技術(shù)領(lǐng)域】。 基線(xiàn)電壓保持結(jié)構(gòu)及脈沖整形器

【背景技術(shù)】
[0002] 輻射探測(cè)系統(tǒng)在高能物理、軍事、工農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、天文等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。輻射 探測(cè)系統(tǒng)的核心組件包括輻射探測(cè)器和讀出電路。輻射探測(cè)器的作用是實(shí)現(xiàn)輻射量到電荷 量的轉(zhuǎn)換，讀出電路的作用是完成電荷脈沖信號(hào)的處理和讀出。讀出電路對(duì)輻射探測(cè)系統(tǒng) 的性能有重要影響。近年來(lái)，隨著CMOS工藝的發(fā)展，大規(guī)模CMOS輻射探測(cè)器讀出電路已經(jīng) 成為主流。
[0003] -個(gè)典型的輻射探測(cè)器讀出電路包括電荷靈敏放大器（Charge Sensitive Amplifier，簡(jiǎn)稱(chēng)CSA)、脈沖整形器（Pulse Shaper)、甄別器和輸出緩沖器等幾部分，電路結(jié) 構(gòu)如圖1所示。電荷靈敏放大器是輻射探測(cè)器與讀出電路的接口，完成電荷脈沖信號(hào)的接 收與積分等功能。脈沖整形器一般為一帶通濾波器，完成對(duì)前級(jí)輸出脈沖信號(hào)的降噪和整 形。甄別器可采用滯回比較器，以減少噪聲干擾的影響，完成對(duì)脈沖信號(hào)與閾值電壓Vth之 間的比較，比較結(jié)果送入計(jì)數(shù)器進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、輸出。
[0004] 電荷靈敏放大器一般采用電容負(fù)反饋形式的積分器，該形式的積分器可以避免因 探測(cè)器電容不同而對(duì)電荷信號(hào)放大增益產(chǎn)生的影響。同時(shí)為避免電荷靈敏放大器輸出端飽 和，電路采用負(fù)反饋電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)連續(xù)時(shí)間的電荷泄放。電荷靈敏放大器的傳輸函數(shù)可表示 為： ,/、 Rf
[0005] ^csaCs) = ij-snC
[0006] 其中Cf為負(fù)反饋電容，Rf為負(fù)反饋電阻，Qin輸入電荷總量。
[0007] 脈沖整形器采用了 CR-RC2結(jié)構(gòu)，在對(duì)前級(jí)輸出信號(hào)完成降噪和整形的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了 信號(hào)的進(jìn)一步放大。由于輻射探測(cè)器產(chǎn)生的電荷脈沖信號(hào)量可能很小，讀出電路需要實(shí)現(xiàn) 較大的增益，這部分增益主要由脈沖整形器來(lái)實(shí)現(xiàn)。直接采用交流耦合形式的整形器在輸 出端會(huì)產(chǎn)生過(guò)沖，輸出過(guò)沖需要較長(zhǎng)的回復(fù)時(shí)間，嚴(yán)重影響探測(cè)系統(tǒng)的計(jì)數(shù)率。采用極零相 消結(jié)構(gòu)的整形器則能夠通過(guò)消除極點(diǎn)從而避免輸出過(guò)沖，提高探測(cè)系統(tǒng)的計(jì)數(shù)率。極零相 消電路結(jié)構(gòu)如圖2所示，設(shè)置R fCf = RpzCdif，使脈沖整形器產(chǎn)生的零點(diǎn)可以與電荷靈敏放大 器的極點(diǎn)相消，其中R pz和Cdif分別為極零相消模塊的電阻電容。
[0008] 電阻Rpz的存在使得整個(gè)主信號(hào)通路存在直流通路，電路中存在的失配和有效信 號(hào)一起被逐級(jí)放大，最終使得輸出級(jí)基線(xiàn)電壓產(chǎn)生較大的漂移。電路中的失配是一個(gè)隨 機(jī)值，對(duì)基線(xiàn)電壓漂移值起主要作用的是電荷靈敏放大器的輸入失配和極零相消電路的失 配。同時(shí)，電路中存在的失配還隨著環(huán)境溫度的變化而變化。因此，基線(xiàn)電壓漂移值是一個(gè) 隨機(jī)且隨環(huán)境溫度變化的電壓值，很難通過(guò)一個(gè)固定的電壓或者電流對(duì)電路進(jìn)行補(bǔ)償從而 減小基線(xiàn)電壓漂移值。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明提供了一種新型的基線(xiàn)電壓保持（baseline holder)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在脈沖 整形器內(nèi)部形成局部負(fù)反饋環(huán)路，目的是在不增加功耗和不犧牲信噪比的前提下將基線(xiàn)電 壓穩(wěn)定在一個(gè)固定參考電壓值。
[0010] 本發(fā)明的技術(shù)方案是將輸出信號(hào)的基線(xiàn)電壓與參考電壓的差值轉(zhuǎn)換為電流值，并 進(jìn)一步將其放大反饋回前級(jí)電路形成負(fù)反饋環(huán)路，由于負(fù)反饋環(huán)路實(shí)現(xiàn)了較大的增益，輸 出信號(hào)的基線(xiàn)電壓最終被固定在參考電壓值。負(fù)反饋環(huán)路作為輔助環(huán)路，用以抑制基線(xiàn)電 壓的漂移，應(yīng)保證其不對(duì)有效信號(hào)產(chǎn)生影響，因此在反饋環(huán)路中增加開(kāi)關(guān)，主信號(hào)通路對(duì)有 效輸入信號(hào)做出響應(yīng)時(shí)斷開(kāi)反饋環(huán)路。對(duì)于主信號(hào)通路，整形器實(shí)現(xiàn)了較大增益，因此電荷 靈敏放大器對(duì)于噪聲更加敏感，從噪聲角度考慮，電流負(fù)反饋沒(méi)有反饋到電荷靈敏放大器 輸入端，而是反饋回整形器中間節(jié)點(diǎn)。基線(xiàn)電壓保持模塊的電路結(jié)構(gòu)如圖3所示，基線(xiàn)保持 模塊在整形器中形成了一個(gè)局部負(fù)反饋環(huán)路，使得采用直流耦合結(jié)構(gòu)的脈沖整形器具有基 線(xiàn)保持的特性。該結(jié)構(gòu)主要包括一個(gè)跨導(dǎo)結(jié)構(gòu)和一個(gè)帶開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)的雙向低通電流鏡，結(jié)構(gòu) 十分簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)低功耗、低噪聲的設(shè)計(jì)要求。
[0011] 運(yùn)算放大器0ΤΑ和電阻RT組成的跨導(dǎo)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了電壓到電流的轉(zhuǎn)換。運(yùn)算放大器 0ΤΑ的正輸入端為參考電壓V ief，因此0ΤΑ的負(fù)輸入端電壓值也被鉗位在參考電壓Vief，即電 阻RT兩端電壓值分別為整形器輸出電壓和參考電壓V Mf，電壓差值與流過(guò)電阻RT的電 流成正比。
[0012] 反饋環(huán)路中開(kāi)關(guān)受主信號(hào)通路中有效信號(hào)控制，有效信號(hào)通過(guò)時(shí)，甄別器做出相 應(yīng)，產(chǎn)生一個(gè)窄脈沖，該窄脈沖的跳變沿用以觸發(fā)一個(gè)脈沖發(fā)生器，該脈沖發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè) 寬度固定為τ的脈沖用以控制反饋環(huán)路中的開(kāi)關(guān)，脈沖寬度τ由有效信號(hào)時(shí)間常數(shù)決定。
[0013] 主信號(hào)通路中無(wú)有效信號(hào)通過(guò)時(shí)，整形器輸出電壓值為基線(xiàn)電壓，此時(shí)開(kāi)關(guān)處 于閉合狀態(tài)，雙向電流鏡的一端處于導(dǎo)通狀態(tài)。當(dāng)輸出基線(xiàn)電壓低于參考電壓時(shí)，PM0S管 Mpl、Mp2和電容C1組成的低通電流鏡處于導(dǎo)通狀態(tài)，NM0S管電流鏡處于關(guān)閉狀態(tài),反饋回 前級(jí)的反饋電流可表示為： .?- If Ν _4] - ττ 77^ ωΡ
[0015] 其中ωρ ~ gml/ci，gml為M0S管Mpl的跨導(dǎo)值，Ν為電流鏡放大倍數(shù)。
[0016] 流過(guò)Mpl的電流值等于流過(guò)電阻RT的電流，Μρ2實(shí)現(xiàn)了電流的Ν倍放大，電容Cl 則限制了電流鏡的帶寬。當(dāng)ωρ遠(yuǎn)小于整形器的時(shí)間常數(shù)時(shí)，電流鏡的帶寬遠(yuǎn)小于主信號(hào) 通路的工作頻率，一方面保證了反饋環(huán)路引入的噪聲極小，另一方面保證了反饋環(huán)路的穩(wěn) 定性。當(dāng)輸出基線(xiàn)電壓高于參考電壓時(shí)，PM0S管電流鏡處于關(guān)閉狀態(tài)，NM0S管Mnl、Mn2和 電容C2組成的低通電流鏡處于導(dǎo)通狀態(tài)。
[0017] 無(wú)基線(xiàn)保持模塊時(shí)，基線(xiàn)電壓漂移值為△ Vwt，增加基線(xiàn)保持模塊后，基線(xiàn)電壓漂 移值為，兩者關(guān)系可表不為：
[001 8] 一 J ~^05·
[0019] 其中A_n為主信號(hào)通路開(kāi)環(huán)增益，β為反饋系數(shù)，V。,為運(yùn)算放大器0ΤΑ輸入失配 電壓，環(huán)路增益β ·Α_η可表示為： ,,―心， 1 Ν
[0020] 只 。pen- RT (1+^?)2 ^~Σ
[0021] 其中h = RshCsh為脈沖整形器時(shí)間常數(shù)，Rsh和Csh分別為反饋電阻電容。根據(jù)上 述表達(dá)式可得出如下結(jié)論：環(huán)路低頻增益越大，基線(xiàn)電壓漂移值越??；ω ρ越小，環(huán)路帶寬越 窄，當(dāng)ωρ遠(yuǎn)小于％時(shí)，環(huán)路可看成單極點(diǎn)結(jié)構(gòu)，可保證環(huán)路穩(wěn)定性，同時(shí)反饋回前級(jí)的噪 聲越小。
[0022] 當(dāng)主信號(hào)通路有有效信號(hào)通過(guò)時(shí)，整形器輸出電壓值￥_包含了對(duì)輸入信號(hào)的響 應(yīng)，此時(shí)開(kāi)關(guān)處于斷開(kāi)狀態(tài)。流過(guò)Mpl (或Mnl)電流值仍等于流過(guò)電阻&的電流；開(kāi)關(guān)斷 開(kāi)，電容C1和C2無(wú)充放電通路，電壓保持開(kāi)關(guān)斷開(kāi)前一瞬間電壓值，因此流過(guò)Mp2和Mn2 的反饋電流值同為開(kāi)關(guān)斷開(kāi)前一瞬間流過(guò)M0S管的電流值。由于基線(xiàn)漂移值通常不會(huì)出現(xiàn) 瞬變，反饋電流仍可用于抑制基線(xiàn)的漂移?；€(xiàn)保持模塊的開(kāi)關(guān)控制信號(hào)可能存在延遲，部 分有效信號(hào)進(jìn)入反饋環(huán)路，由于反饋環(huán)路帶寬極窄，有效信號(hào)在環(huán)路中被濾去，進(jìn)一步保證 了基線(xiàn)電壓的穩(wěn)定性。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0023] 圖1是典型的輻射探測(cè)器讀出電路結(jié)構(gòu)框圖；
[0024] 圖2是包含極零相消結(jié)構(gòu)的輻射探測(cè)器讀出電路結(jié)構(gòu)框圖；
[0025] 圖3是本發(fā)明中提出的新型基線(xiàn)保持模塊結(jié)構(gòu)圖；
[0026] 圖4是無(wú)基線(xiàn)保持模塊時(shí)輻射探測(cè)器讀出電路的基線(xiàn)電壓值與溫度變化關(guān)系圖；
[0027] 圖5是有無(wú)基線(xiàn)保持模塊時(shí)輻射探測(cè)器讀出電路的模擬輸出對(duì)比圖及開(kāi)關(guān)控制 信號(hào)。

【具體實(shí)施方式】
[0028] 下面通過(guò)實(shí)施方式詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明。
[0029] 輻射探測(cè)器讀出電路接收到的電荷量常常很微弱，這就要求脈沖整形器實(shí)現(xiàn)較大 倍數(shù)的增益，設(shè)計(jì)驗(yàn)證中針對(duì)的讀出電路實(shí)現(xiàn)的放大倍數(shù)在40倍左右。電荷靈敏放大器的 輸入失配通常在幾毫伏量級(jí)，同時(shí)考慮到電路中電阻電容的失配，以及脈沖整形器的失配， 最終的基線(xiàn)電壓漂移值可到達(dá)一百毫伏以上。對(duì)無(wú)基線(xiàn)保持模塊的電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行了流片測(cè) 試，多個(gè)通道測(cè)試結(jié)果表明基線(xiàn)漂移值為隨機(jī)量，最大漂移值可達(dá)到±150mV。隨機(jī)選取一 個(gè)通道進(jìn)行溫度測(cè)試，基線(xiàn)電壓值（baseline)與環(huán)境溫度的關(guān)系如圖4所示，參考電壓為 1. 6V。
[0030] 為了抑制基線(xiàn)漂移，在電路結(jié)構(gòu)中增加圖3所示的新型基線(xiàn)保持結(jié)構(gòu)。增加該模 塊在有效抑制基線(xiàn)漂移的同時(shí)必須不能犧牲電路原有的性能，主要包括電路的功耗和信噪 t匕。在功耗上，基線(xiàn)保持模塊主要消耗模塊為運(yùn)算放大器ΟΤΑ，0ΤΑ只要求高增益不要帶寬， 可以實(shí)現(xiàn)低功耗設(shè)計(jì)，在本實(shí)施方案中0ΤΑ的電流消耗低于1 μ A。在噪聲上，電容C1和C2 極大的限制了環(huán)路帶寬，要求環(huán)路帶寬必須遠(yuǎn)小于主信號(hào)通路的工作頻率，反饋環(huán)路引起 的噪聲相較于主信號(hào)通路可忽略，本實(shí)施方案中用來(lái)限制帶寬的電容為納法量級(jí)。
[0031] 對(duì)基線(xiàn)保持模塊構(gòu)成的負(fù)反饋環(huán)路進(jìn)行了環(huán)路穩(wěn)定性仿真，環(huán)路低頻增益為 40dB，單位增益帶寬為240Hz，40dB的低頻增益使得失配造成的基線(xiàn)漂移值減小了 99%。對(duì) 電路進(jìn)行時(shí)域仿真和噪聲性能仿真，仿真結(jié)果如下圖5所示，圖中對(duì)比了讀出電路有無(wú)基 線(xiàn)保持模塊的輸出響應(yīng)。參考電壓設(shè)置為1. 6V，一為無(wú)基線(xiàn)保持模塊時(shí)的輸出響應(yīng)，由于 失配，輸出基線(xiàn)電壓漂移值約為125mV，--為增加基線(xiàn)保持模塊時(shí)的輸出響應(yīng)，輸出基線(xiàn) 電壓恢復(fù)參考電壓，有效抑制了基線(xiàn)漂移，開(kāi)關(guān)控制信號(hào)脈沖寬度為7. 25 μ S，約為有效信 號(hào)寬度，即保證了有效信號(hào)不會(huì)進(jìn)入反饋環(huán)路，同時(shí)又不影響讀出電路的計(jì)數(shù)率。圖5仿真 結(jié)果包含噪聲的影響，結(jié)果顯示增加基線(xiàn)保持模塊后輸出噪聲與無(wú)基線(xiàn)保持模塊時(shí)幾乎相 同。
[0032] 從上述結(jié)果中可以看出，本發(fā)明提出的基線(xiàn)保持結(jié)構(gòu)能夠有效抑制了讀出電路基 線(xiàn)電壓的漂移，同時(shí)具有低功耗、低噪聲的特性，不對(duì)電路本身性能產(chǎn)生影響。
[0033] 最后需要注意的是，公布實(shí)施例的目的在于幫助進(jìn)一步理解本發(fā)明，但是本領(lǐng)域 的技術(shù)人員可以理解：在不脫離本發(fā)明及所附的權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)，各種替換和修 改都是可能的。因此，本發(fā)明不應(yīng)局限于實(shí)施例所公開(kāi)的內(nèi)容，本發(fā)明要求保護(hù)的范圍以權(quán) 利要求書(shū)界定的范圍為準(zhǔn)。
【權(quán)利要求】
1. 一種用于輻射探測(cè)器讀出電路的基線(xiàn)保持結(jié)構(gòu)，所述基線(xiàn)保持結(jié)構(gòu)包括一個(gè)跨導(dǎo)模 塊和一個(gè)開(kāi)關(guān)控制的雙向低通電流鏡模塊，開(kāi)關(guān)控制信號(hào)由主信號(hào)通路中有效信號(hào)產(chǎn)生， 其特征在于，該結(jié)構(gòu)提供的反饋電流由一個(gè)開(kāi)關(guān)控制的雙向電流鏡提供，極大地節(jié)省了電 流消耗，雙向電流鏡的導(dǎo)通方向由基線(xiàn)電壓漂移方向決定，可實(shí)現(xiàn)自調(diào)整。
2. -種直流耦合的脈沖整形器，具有基線(xiàn)電壓保持功能，其特征在于，還包括如權(quán)利1 所述的基線(xiàn)保持結(jié)構(gòu)，在脈沖整形器內(nèi)部形成負(fù)反饋結(jié)構(gòu)。
【文檔編號(hào)】H03K5/01GK104124947SQ201310145633
【公開(kāi)日】2014年10月29日 申請(qǐng)日期:2013年4月24日 優(yōu)先權(quán)日:2013年4月24日
【發(fā)明者】陳曉璐, 張雅聰, 陳中建, 魯文高, 周春芝, 邵建輝, 楊團(tuán)偉, 劉大海, 劉正, 朱紅英 申請(qǐng)人:北京大學(xué)