吳昊+秦水介

摘 要 針對碲鋅鎘（CZT）探測器受電子學(xué)噪聲影響較大的問題，本文分析了碲鋅鎘探測器的電學(xué)模型以及信號采集電路的噪聲模型，采用低噪聲設(shè)計(jì)方法和整形技術(shù)，基于上華0.35um工藝設(shè)計(jì)了一款低噪聲讀出電路。通過仿真表明：當(dāng)探測器輸入電容為5pF，漏電流低于2nA時(shí)，電路的輸出基線保持在590mV，輸出等效噪聲電荷（ENC）小于132個(gè)電子；當(dāng)輸入電容為15pF時(shí)，電路增益可達(dá)到499mV/fC。

【關(guān)鍵詞】碲鋅鎘探測器 低噪聲 讀出電路 漏電流

由于碲鋅鎘半導(dǎo)體材料具有在室溫條件下電阻率高、溫度系數(shù)小、便于與前端電子學(xué)結(jié)合、較高的靈敏度等優(yōu)越特性，碲鋅鎘探測器在射線定位和醫(yī)學(xué)成像等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。針對PET電子成像系統(tǒng)中高分辨率、高集成度等要求，本文設(shè)計(jì)了一款基于碲鋅鎘半導(dǎo)體材料的低噪聲前端讀出電路。

1 探測器模型

如圖1左圖所示：CZT探測器的工作示意圖，當(dāng)射線進(jìn)入碲鋅鎘探測器時(shí)，與CZT晶體相互作用，產(chǎn)生電子-空穴對；當(dāng)外加高偏壓-VC作用于陰極時(shí)，晶體中電離產(chǎn)生的電子—空穴對分別向兩極板漂移；從而探測器耗盡層區(qū)域內(nèi)的電荷在dt時(shí)間內(nèi)向收集電極移動dx的距離，則在收集電極上產(chǎn)生dQin的感應(yīng)電荷，該電荷被電荷靈敏放大器收集，故在陰極電極板上產(chǎn)生瞬時(shí)電流。故可以將CZT探測器等效成圖1中右圖所示的電學(xué)模型，探測器的極板電容以及連線分布電容等效成輸入電容cin；探測器極板上產(chǎn)生的電流脈沖

iin；id漏電流。

2 噪聲分析

等效噪聲電荷（ENC）是衡量讀出電路的重要指標(biāo)，其表達(dá)式：

ENC=（Vnoise/Acsa）*（104/1.6）

由式（1）知：減小電路輸出噪聲可獲得較理想的ENC。其中，電路輸出噪聲包括電路本身的噪聲和漏電流對電路的噪聲貢獻(xiàn)。

2.1 漏電流補(bǔ)償電路

如圖2漏電流經(jīng)過反饋電阻Rf影響電路噪聲和輸出基線的穩(wěn)定。文獻(xiàn)[2]采用了電阻結(jié)構(gòu)，但沒有對漏電流進(jìn)行處理，噪聲較大；文獻(xiàn)[3]采用工作在飽和區(qū)的MOS管作反饋電阻，但是這種有源電阻的阻值有限，對噪聲貢獻(xiàn)依然較大；文獻(xiàn)[4]中采用了交流耦合的隔離方式，避免了漏電流對成形電路輸出基線的影響，但是不能減小漏電流的噪聲貢獻(xiàn)；本文采用了漏電流補(bǔ)償電路與自偏置虛電阻的并聯(lián)結(jié)構(gòu)，如圖2所示：工作在亞閾值區(qū)的Mc1和Mc2實(shí)現(xiàn)漏電流補(bǔ)償，Ic為2nA的補(bǔ)償電流；Mra和Mrb串聯(lián)組成反饋電阻Rf，其阻值可達(dá)到GΩ量級，該阻值可避免連續(xù)兩個(gè)周期的電荷疊加。

2.2 電荷靈敏放大器低噪聲實(shí)現(xiàn)

由（1）式可知，增大電路的增益也可以減小輸出等效噪聲電荷；為此，本文的電荷靈敏放大器采用折疊式共源共柵結(jié)構(gòu)如圖3所示；M1、M2、M3、M4、M5組成單端折疊式放大器，其噪聲是差分結(jié)構(gòu)的一半。電路的噪聲主要來源于MOS管的白噪聲和1/f噪聲。圖3電路噪聲模型如下：

由（2）式可知，通過適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)使得i2≈i1，i3/i1<<1；從而實(shí)現(xiàn)M2和M3管的等效電阻gds1與gds2<

2.3 探測器輸入電容Cin對電路噪聲影響

由于探測器輸入寄生電容cin的存在，降低了電荷靈敏放大器的增益，從而提高了輸出等效噪聲電荷?？煞治鰹椋?/p>

其中w0、k0分別為電荷靈敏放大器的開環(huán)帶寬；由（3）式可知，可以通過減小Cf，使得cf<

3 仿真結(jié)果與分析

基于上華0.35um工藝，采用spectre仿真器進(jìn)行電路仿真驗(yàn)證。由圖4知，室溫條件下，漏電流在2nA以內(nèi)變化時(shí)，基線保持不變，全工藝角條件下的基線偏差在30nV以內(nèi)，故漏電流補(bǔ)償電路可有效消除漏電流對電路輸出基線的影響。

如圖5輸出等效噪聲電荷與漏電流的關(guān)系曲線，漏電流為2nA時(shí)，輸出等效噪聲為123個(gè)電子；在2nA以內(nèi)，探測器漏電流越接近補(bǔ)償電流，ENC越小。顯然，本文采用的設(shè)計(jì)方法可以降低CZT探測器的電子學(xué)噪聲。

圖6是在輸入為1fC電荷時(shí)，不同輸入電容條件下的輸出波形，當(dāng)輸入電容越大，增益越小，達(dá)峰時(shí)間越大；而電路的噪聲不變，故輸入電容越大，ENC越大。

4 結(jié)論

本文通過漏電流補(bǔ)償電路、MOS虛電阻以及電路低噪聲設(shè)計(jì)、整形處理；在室溫條件下，輸入電容為5pF時(shí)，等效噪聲電荷低于132e；漏電流在0nA到2nA變化過程中，電路的輸出基線保持在590mV，各工藝角偏差小于30nV，可滿足后續(xù)信號處理的要求。

參考文獻(xiàn)

[1]張秋實(shí)，盧閆曄，謝肇恒，楊昆，任秋實(shí).用于醫(yī)學(xué)成像的碲鋅鎘單極型探測器研究進(jìn)展[J].半導(dǎo)體光電，2013（02）：171-179.

[2]low noise readout front-end for gaseous detectors in 130nm CMOS technology[C].Circuits & Systems，IEEE，2015.

[3]羅杰，鄧智，劉以農(nóng)，王光祺，李紅日.像素碲鋅鎘探測器低噪聲讀出芯片設(shè)計(jì)與測試[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012，07：917-921.Hernandez H，Van Noije W，Munhoz M.Configurable.

[4]Gan B，Wei T，Gao W，et al.Design of a Multi-Channel Low-Noise Readout ASIC for CdZnTe-Based X-Ray and，-Ray Spectrum Analyzer[J].IEEE Transactions on Nuclear Science，2015，62（05）：1-1.