潘銀松，劉鳳琳，楊帥舉

（重慶大學(xué)光電技術(shù)及系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400030）

0 引言

自然資源的急劇消耗使得人類越來越重視一些高能量材料的利用，比如:核材料。核技術(shù)的發(fā)展為核材料的廣泛應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。然而，核材料的應(yīng)用為人類帶來了利益的同時(shí)也給人類帶來了核輻射的恐懼。對核輻射的探測關(guān)乎民心穩(wěn)定和人身安全，意義重大。碲鋅鎘（cadmium zinc telluride，CZT）作為一種新型室溫核輻射探測器材料，具有如下優(yōu)點(diǎn)［1］:平均原子系數(shù)高（49．1），密度大，電阻率高（1011Ω·cm），禁帶寬度大（1．4～2．26 eV），在常溫下工作。因而，適用于γ射線成像、工業(yè)探測、安全檢測、核反應(yīng)堆材料檢測和核醫(yī)學(xué)等多種方面。

本文設(shè)計(jì)的讀出電路電路能夠處理能量范圍為20～200 keV的γ射線。

1 讀出電路的結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的CZT像素核輻射探測器的讀出電路由電荷敏感型前置運(yùn)放、濾波電路和放大電路三部分組成，如圖1。

圖1 CZT像素核輻射探測器的讀出電路結(jié)構(gòu)示意圖Fig 1 Architecture diagram of readout circuit of CZT pixel nuclear radiation detector

1．1 電荷敏感型

電荷敏感型前置運(yùn)放采用的是PMOS雙端輸入、單端輸出折疊共源共柵結(jié)構(gòu)，如圖2所示。折疊共源共柵具有較好的共模輸入范圍，提供自補(bǔ)償，可以達(dá)到兩級運(yùn)放的增益［2，3］。相對于NMOS輸入，PMOS 輸入具有較小的熱噪聲。本文采用的PMOS輸入折疊共源共柵的開環(huán)增益為80 dB，GBW 為 58 MHz。

圖2 P管輸入折疊共源共柵運(yùn)放Fig 2 P-transistor input folded cascade amplifier

1．2 RC—CR 濾波電路

濾波電路采用Bessel濾波整形電路如圖1所示。Bessel濾波電路由傳統(tǒng)的無源RC—CR網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，結(jié)構(gòu)簡單。本文中，一階低通濾波器和一階高通濾波器組成的帶通濾波器帶寬為15．8 MHz。

1．3 放大級

濾波后的信號需要放大以便后續(xù)電路的處理。本文采用的運(yùn)輸放大器與電荷敏感型運(yùn)算放大器一樣，采用的是PMOS輸入折疊共源共柵運(yùn)算放大器。因?yàn)榉聪喾糯蟊韧喾糯螽a(chǎn)生的噪聲小，故采用反相放大?？紤]到RC—CR網(wǎng)絡(luò)的驅(qū)動(dòng)能力，第一級運(yùn)放的放大倍數(shù)要小些，因此，設(shè)為3。第二級運(yùn)放的放大倍數(shù)設(shè)為8，兩級共放大24倍。

2 電荷敏感型前置運(yùn)放的噪聲分析

噪聲會影響電路的精度和靈敏度，本文讀出電路的主要噪聲源包括:來自探測器的點(diǎn)噪聲、輸入MOSFET的熱噪聲和1/f噪聲。其中，點(diǎn)噪聲和熱噪聲都是白噪聲，而1/f噪聲不是白噪聲。由于噪聲在頻域中都是隨機(jī)現(xiàn)象，所以，噪聲在時(shí)域中可以用隨機(jī)數(shù)建模。點(diǎn)噪聲和熱噪聲在頻域中都是白噪聲，時(shí)域建模的幅度就是 Gaussian分布［4～6］。作為白噪聲源的隨機(jī)數(shù)在SPECTRE仿真器中的時(shí)域噪聲源是一系列片段線性噪聲。隨機(jī)數(shù)間的時(shí)間間隔由噪聲寬度決定，隨機(jī)數(shù)的個(gè)數(shù)由瞬態(tài)分析時(shí)間決定。1/f噪聲不是白噪聲，但在頻域中，它是有限Lorentz方程之和，因此，1/f噪聲的non-Gaussian分布可以用一系列低通濾波的白噪聲之和來建模［7］。本文中，時(shí)域噪聲源用隨機(jī)數(shù)和噪聲光譜密度建模，并進(jìn)行了瞬態(tài)SPECTRE噪聲仿真。仿真時(shí)間為3 μs，隨機(jī)數(shù)系列的長度為 200。

1）點(diǎn)噪聲:CZT 探測器的漏電流是 0．1 nA［7］，因此，點(diǎn)噪聲的PSD計(jì)算如式（1）

其中，q為電子電量。由于前置運(yùn)放的 GBW將近58 MHz，系統(tǒng)帶寬 fB設(shè)為1 MHz。點(diǎn)噪聲的功耗計(jì)算如式（2）

2）熱噪聲:高頻時(shí)熱噪聲起主要作用，點(diǎn)噪聲和1/f噪聲的作用較弱。本文的讀出電路工作頻率大于1 MHz，因此，熱噪聲起主要作用。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，如果熱噪聲起主要作用，那么，前置運(yùn)放的輸入電容CIN等于CD。PMOS輸入管的W/L比為80μm/0．2μm，跨導(dǎo)gm為3．65mA/V。前置運(yùn)放的輸出熱噪聲功耗為1．002×10－9A。

3）1 /f噪聲:1/f噪聲的傳輸函數(shù)之和在極點(diǎn)分布領(lǐng)域是1/f的函數(shù)，它的PSD計(jì)算式如式（3）所示

對于 W=80μm，L=0．2μm，KF=2．5 ×10－25V2F，IDS=31．5 ×10－6A，COX=1．17 ×10－3F/m2，1/f噪聲為 0．057 1/f（A2/Hz）。

3 讀出電路的靈敏度分析

靈敏度是重要的參數(shù)之一，該讀出電路的靈敏度即電荷敏感型前置運(yùn)放的靈敏度。在給定的探測材料中，其值為mV/MeV。探測器釋放的電荷是光能或離子能的函數(shù)，如式（4）所示

其中，E為每次射線的能量，MeV，e為電子電量（1．6×10－19），ε為探測器重產(chǎn)生電子—空穴對所需要的能量，4．64eV。由電容定義式與式（4）得式（5）

根據(jù)前置運(yùn)放的增益，式（5）轉(zhuǎn)換成單位為mV/keV的等式（6）

當(dāng)反饋電容為115．2 fF時(shí)，計(jì)算得到的應(yīng)用于CZT探測器的前置運(yùn)放的靈敏度為0．3 mV/keV。

4 仿真結(jié)果

根據(jù)前面的噪聲分析，進(jìn)行噪聲建模，并在SPECTRE仿真器中進(jìn)行仿真，仿真后的噪聲結(jié)果如圖3所示。

本文模擬對20 keV γ射線的處理，仿真結(jié)果如圖4所示，圖4（a）是電荷敏感型前置運(yùn)放的輸出信號，大小為6．159 mV，近似等于由靈敏度公式計(jì)算得到的結(jié)果6 mV。圖4（b）是經(jīng)過RC—CR網(wǎng)絡(luò)濾波后的信號，比較（a）和（b）可知，大多數(shù)噪聲已被濾除。圖4（c）是經(jīng)過一次放大的信號，值為17．01 mV，大約放大了3倍，放大倍數(shù)接近理論值。圖4（d）是經(jīng)過二次放大后的信號，值為147，大約放大了8倍，接近理論值。經(jīng)過濾波的信號被放大器放大后送到后續(xù)處理電路，后續(xù)處理電路工作的范圍為0．05～1．55 V。

圖3 點(diǎn)噪聲、熱噪聲和1/f噪聲仿真圖Fig 3 Simulation curve of dot noise，temperature noise and 1/f noise

圖4 讀出電路仿真圖Fig 4 Simulation curve of readout circuit

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的讀出電路模擬前端包括電荷敏感型前置運(yùn)放、整形濾波網(wǎng)絡(luò)、放大級。前端電路采用了折疊共源共柵運(yùn)算放大器和簡單的無源RC—CR帶通濾波器。電路的靈敏度為0．3 mV/keV，探測能量范圍為20～200 keV，功耗為1 mW。本文中主要對讀出電路進(jìn)行了噪聲分析、靈敏度分析，并在GPDK 0．18 μm CMOS工藝下進(jìn)行了仿真。該電路可應(yīng)用于CZT像素核輻射探測器。

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