基线电压保持结构及脉冲整形器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种基线电压保持结构及直流耦合结构的脉冲整形器。本发明实现了对读出电路基线电压漂移的抑制，基线漂移值，即基线电压与参考电压的差值转换成电流值并进行放大，放大后的电流反馈回前级输入端，形成一个高增益、窄带宽的负反馈环路，从而使得基线电压固定在参考值。本发明的方法使得基线电压值由反馈环路确定，而不受电路元器件参数适配等非理想因素的影响；反馈环路的开关受主信号通路中有效信号的控制，保证了基线保持模块不对有效信号产生影响。本发明可以满足低功耗、低噪声辐射探测系统的要求，将会获得广泛的应用。
【专利说明】
【技术领域】
[0001] 本发明属于辐射探测系统读出电路的读出结构和读出方法【技术领域】。 基线电压保持结构及脉冲整形器
【背景技术】
[0002] 辐射探测系统在高能物理、军事、工农业、医学、天文等领域有着广泛的应用。辐射 探测系统的核心组件包括辐射探测器和读出电路。辐射探测器的作用是实现辐射量到电荷 量的转换，读出电路的作用是完成电荷脉冲信号的处理和读出。读出电路对辐射探测系统 的性能有重要影响。近年来，随着CMOS工艺的发展，大规模CMOS辐射探测器读出电路已经 成为主流。
[0003] -个典型的辐射探测器读出电路包括电荷灵敏放大器（Charge Sensitive Amplifier，简称CSA)、脉冲整形器（Pulse Shaper)、甄别器和输出缓冲器等几部分，电路结 构如图1所示。电荷灵敏放大器是辐射探测器与读出电路的接口，完成电荷脉冲信号的接 收与积分等功能。脉冲整形器一般为一带通滤波器，完成对前级输出脉冲信号的降噪和整 形。甄别器可采用滞回比较器，以减少噪声干扰的影响，完成对脉冲信号与阈值电压Vth之 间的比较，比较结果送入计数器进行统计、输出。
[0004] 电荷灵敏放大器一般采用电容负反馈形式的积分器，该形式的积分器可以避免因 探测器电容不同而对电荷信号放大增益产生的影响。同时为避免电荷灵敏放大器输出端饱 和，电路采用负反馈电阻来实现连续时间的电荷泄放。电荷灵敏放大器的传输函数可表示 为： ,/、 Rf
[0005] ^csaCs) = ij-snC
[0006] 其中Cf为负反馈电容，Rf为负反馈电阻，Qin输入电荷总量。
[0007] 脉冲整形器采用了 CR-RC2结构，在对前级输出信号完成降噪和整形的同时实现了 信号的进一步放大。由于辐射探测器产生的电荷脉冲信号量可能很小，读出电路需要实现 较大的增益，这部分增益主要由脉冲整形器来实现。直接采用交流耦合形式的整形器在输 出端会产生过冲，输出过冲需要较长的回复时间，严重影响探测系统的计数率。采用极零相 消结构的整形器则能够通过消除极点从而避免输出过冲，提高探测系统的计数率。极零相 消电路结构如图2所示，设置R fCf = RpzCdif，使脉冲整形器产生的零点可以与电荷灵敏放大 器的极点相消，其中R pz和Cdif分别为极零相消模块的电阻电容。
[0008] 电阻Rpz的存在使得整个主信号通路存在直流通路，电路中存在的失配和有效信 号一起被逐级放大，最终使得输出级基线电压产生较大的漂移。电路中的失配是一个随 机值，对基线电压漂移值起主要作用的是电荷灵敏放大器的输入失配和极零相消电路的失 配。同时，电路中存在的失配还随着环境温度的变化而变化。因此，基线电压漂移值是一个 随机且随环境温度变化的电压值，很难通过一个固定的电压或者电流对电路进行补偿从而 减小基线电压漂移值。
【发明内容】
[0009] 本发明提供了一种新型的基线电压保持（baseline holder)结构，该结构在脉冲 整形器内部形成局部负反馈环路，目的是在不增加功耗和不牺牲信噪比的前提下将基线电 压稳定在一个固定参考电压值。
[0010] 本发明的技术方案是将输出信号的基线电压与参考电压的差值转换为电流值，并 进一步将其放大反馈回前级电路形成负反馈环路，由于负反馈环路实现了较大的增益，输 出信号的基线电压最终被固定在参考电压值。负反馈环路作为辅助环路，用以抑制基线电 压的漂移，应保证其不对有效信号产生影响，因此在反馈环路中增加开关，主信号通路对有 效输入信号做出响应时断开反馈环路。对于主信号通路，整形器实现了较大增益，因此电荷 灵敏放大器对于噪声更加敏感，从噪声角度考虑，电流负反馈没有反馈到电荷灵敏放大器 输入端，而是反馈回整形器中间节点。基线电压保持模块的电路结构如图3所示，基线保持 模块在整形器中形成了一个局部负反馈环路，使得采用直流耦合结构的脉冲整形器具有基 线保持的特性。该结构主要包括一个跨导结构和一个带开关结构的双向低通电流镜，结构 十分简单，易于实现低功耗、低噪声的设计要求。
[0011] 运算放大器0ΤΑ和电阻RT组成的跨导结构实现了电压到电流的转换。运算放大器 0ΤΑ的正输入端为参考电压V ief，因此0ΤΑ的负输入端电压值也被钳位在参考电压Vief，即电 阻RT两端电压值分别为整形器输出电压和参考电压V Mf，电压差值与流过电阻RT的电 流成正比。
[0012] 反馈环路中开关受主信号通路中有效信号控制，有效信号通过时，甄别器做出相 应，产生一个窄脉冲，该窄脉冲的跳变沿用以触发一个脉冲发生器，该脉冲发生器产生一个 宽度固定为τ的脉冲用以控制反馈环路中的开关，脉冲宽度τ由有效信号时间常数决定。
[0013] 主信号通路中无有效信号通过时，整形器输出电压值为基线电压，此时开关处 于闭合状态，双向电流镜的一端处于导通状态。当输出基线电压低于参考电压时，PM0S管 Mpl、Mp2和电容C1组成的低通电流镜处于导通状态，NM0S管电流镜处于关闭状态,反馈回 前级的反馈电流可表示为： .?- If Ν _4] - ττ 77^ ωΡ
[0015] 其中ωρ ~ gml/ci，gml为M0S管Mpl的跨导值，Ν为电流镜放大倍数。
[0016] 流过Mpl的电流值等于流过电阻RT的电流，Μρ2实现了电流的Ν倍放大，电容Cl 则限制了电流镜的带宽。当ωρ远小于整形器的时间常数时，电流镜的带宽远小于主信号 通路的工作频率，一方面保证了反馈环路引入的噪声极小，另一方面保证了反馈环路的稳 定性。当输出基线电压高于参考电压时，PM0S管电流镜处于关闭状态，NM0S管Mnl、Mn2和 电容C2组成的低通电流镜处于导通状态。
[0017] 无基线保持模块时，基线电压漂移值为△ Vwt，增加基线保持模块后，基线电压漂 移值为，两者关系可表不为：
[001 8] 一 J ~^05·
[0019] 其中A_n为主信号通路开环增益，β为反馈系数，V。,为运算放大器0ΤΑ输入失配 电压，环路增益β ·Α_η可表示为： ,,―心， 1 Ν
[0020] 只 。pen- RT (1+^?)2 ^~Σ
[0021] 其中h = RshCsh为脉冲整形器时间常数，Rsh和Csh分别为反馈电阻电容。根据上 述表达式可得出如下结论：环路低频增益越大，基线电压漂移值越小；ω ρ越小，环路带宽越 窄，当ωρ远小于％时，环路可看成单极点结构，可保证环路稳定性，同时反馈回前级的噪 声越小。
[0022] 当主信号通路有有效信号通过时，整形器输出电压值￥_包含了对输入信号的响 应，此时开关处于断开状态。流过Mpl (或Mnl)电流值仍等于流过电阻&的电流；开关断 开，电容C1和C2无充放电通路，电压保持开关断开前一瞬间电压值，因此流过Mp2和Mn2 的反馈电流值同为开关断开前一瞬间流过M0S管的电流值。由于基线漂移值通常不会出现 瞬变，反馈电流仍可用于抑制基线的漂移。基线保持模块的开关控制信号可能存在延迟，部 分有效信号进入反馈环路，由于反馈环路带宽极窄，有效信号在环路中被滤去，进一步保证 了基线电压的稳定性。
【专利附图】
【附图说明】
[0023] 图1是典型的辐射探测器读出电路结构框图；
[0024] 图2是包含极零相消结构的辐射探测器读出电路结构框图；
[0025] 图3是本发明中提出的新型基线保持模块结构图；
[0026] 图4是无基线保持模块时辐射探测器读出电路的基线电压值与温度变化关系图；
[0027] 图5是有无基线保持模块时辐射探测器读出电路的模拟输出对比图及开关控制 信号。
【具体实施方式】
[0028] 下面通过实施方式详细说明本发明。
[0029] 辐射探测器读出电路接收到的电荷量常常很微弱，这就要求脉冲整形器实现较大 倍数的增益，设计验证中针对的读出电路实现的放大倍数在40倍左右。电荷灵敏放大器的 输入失配通常在几毫伏量级，同时考虑到电路中电阻电容的失配，以及脉冲整形器的失配， 最终的基线电压漂移值可到达一百毫伏以上。对无基线保持模块的电路结构进行了流片测 试，多个通道测试结果表明基线漂移值为随机量，最大漂移值可达到±150mV。随机选取一 个通道进行温度测试，基线电压值（baseline)与环境温度的关系如图4所示，参考电压为 1. 6V。
[0030] 为了抑制基线漂移，在电路结构中增加图3所示的新型基线保持结构。增加该模 块在有效抑制基线漂移的同时必须不能牺牲电路原有的性能，主要包括电路的功耗和信噪 t匕。在功耗上，基线保持模块主要消耗模块为运算放大器ΟΤΑ，0ΤΑ只要求高增益不要带宽， 可以实现低功耗设计，在本实施方案中0ΤΑ的电流消耗低于1 μ A。在噪声上，电容C1和C2 极大的限制了环路带宽，要求环路带宽必须远小于主信号通路的工作频率，反馈环路引起 的噪声相较于主信号通路可忽略，本实施方案中用来限制带宽的电容为纳法量级。
[0031] 对基线保持模块构成的负反馈环路进行了环路稳定性仿真，环路低频增益为 40dB，单位增益带宽为240Hz，40dB的低频增益使得失配造成的基线漂移值减小了 99%。对 电路进行时域仿真和噪声性能仿真，仿真结果如下图5所示，图中对比了读出电路有无基 线保持模块的输出响应。参考电压设置为1. 6V，一为无基线保持模块时的输出响应，由于 失配，输出基线电压漂移值约为125mV，--为增加基线保持模块时的输出响应，输出基线 电压恢复参考电压，有效抑制了基线漂移，开关控制信号脉冲宽度为7. 25 μ S，约为有效信 号宽度，即保证了有效信号不会进入反馈环路，同时又不影响读出电路的计数率。图5仿真 结果包含噪声的影响，结果显示增加基线保持模块后输出噪声与无基线保持模块时几乎相 同。
[0032] 从上述结果中可以看出，本发明提出的基线保持结构能够有效抑制了读出电路基 线电压的漂移，同时具有低功耗、低噪声的特性，不对电路本身性能产生影响。
[0033] 最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域 的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修 改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权 利要求书界定的范围为准。
【权利要求】
1. 一种用于辐射探测器读出电路的基线保持结构，所述基线保持结构包括一个跨导模 块和一个开关控制的双向低通电流镜模块，开关控制信号由主信号通路中有效信号产生， 其特征在于，该结构提供的反馈电流由一个开关控制的双向电流镜提供，极大地节省了电 流消耗，双向电流镜的导通方向由基线电压漂移方向决定，可实现自调整。
2. -种直流耦合的脉冲整形器，具有基线电压保持功能，其特征在于，还包括如权利1 所述的基线保持结构，在脉冲整形器内部形成负反馈结构。
【文档编号】H03K5/01GK104124947SQ201310145633
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2013年4月24日 优先权日:2013年4月24日
【发明者】陈晓璐, 张雅聪, 陈中建, 鲁文高, 周春芝, 邵建辉, 杨团伟, 刘大海, 刘正, 朱红英 申请人:北京大学