基线电压保持结构及脉冲整形器制造技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。本发明专利技术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。本发明专利技术可以满足低功耗、低噪声辐射探测系统的要求，将会获得广泛的应用。

【技术实现步骤摘要】
基线电压保持结构及脉冲整形器
本专利技术属于辐射探测系统读出电路的读出结构和读出方法

技术介绍
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。一个典型的辐射探测器读出电路包括电荷灵敏放大器(ChargeSensitiveAmplifier，简称CSA)、脉冲整形器(PulseShaper)、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。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：其中Cf为负反馈电容，Rf为负反馈电阻，Qin输入电荷总量。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RfCf＝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Rpz和Cdif分别为极零相消模块的电阻电容。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。
技术实现思路
本专利技术提供了一种新型的基线电压保持(baselineholder)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。本专利技术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。运算放大器OTA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OTA的正输入端为参考电压Vref，因此OTA的负输入端电压值也被钳位在参考电压Vref，即电阻RT两端电压值分别为整形器输出电压Vout和参考电压Vref，电压差值与流过电阻RT的电流成正比。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。主信号通路中无有效信号通过时，整形器输出电压值Vout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，PMOS管Mp1、Mp2和电容C1组成的低通电流镜处于导通状态，NMOS管电流镜处于关闭状态，反馈回前级的反馈电流可表示为：其中ωp≈gml/Cl，gml为MOS管Mp1的跨导值，N为电流镜放大倍数。流过Mp1的电流值等于流过电阻RT的电流，Mp2实现了电流的N倍放大，电容C1则限制了电流镜的带宽。当ωp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，PMOS管电流镜处于关闭状态，NMOS管Mn1、Mn2和电容C2组成的低通电流镜处于导通状态。无基线保持模块时，基线电压漂移值为ΔVout，增加基线保持模块后，基线电压漂移值为ΔVout，closed，两者关系可表示为：其中Aopen为主信号通路开环增益，β为反馈系数，Vos为运算放大器OTA输入失配电压，环路增益β·Aopen可表示为：其中τ0＝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；ωp越小，环路带宽越窄，当ωp远小于τ0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。当主信号通路有有效信号通过时，整形器输出电压值Vout包含了对输入信号的响应，此时开关处于断开状态。流过Mp1(或Mn1)电流值仍等于流过电阻RT的电流；开关断开，电容Cl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MOS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。附图说明图1是典型的辐射探测器读出电路结构框图；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；图3是本专利技术中提出的新型基线保持模块结构图；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；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。具体实施方式下面通过实施方式详细说明本专利技术。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±1本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
1.一种直流耦合的、具有基线电压保持功能的脉冲整形器，其特征在于，由三级运算放大器、甄别器、脉冲发生器和基线电压保持结构组成，其中第一级运算放大器输入端串联由电阻Rpz和电容Cdif并联构成的RC结构，另一组电阻电容并联结构的两端分别与第一级放大器的输入、输出端连接；第二、第三级运算放大器结构相同，均为输入端串联电阻，输入、输出端分别连接电阻电容并联结构的两端；三级运算放大器串联连接；甄别器的输入端连接到第二级运算放大器的输出端，甄别器的输出端连接脉冲发生器输入端，脉冲发生器输出端产生开关控制信号；其中，基线电压保持结构包括一个由运算放大器OTA和电阻RT组成的跨导模块和一个由PMOS电流镜和NMOS电流镜构成的双向低通电流镜模块，其中运算放大器OTA的正输入端连接到基线电压Vref上，电阻RT一端连接到第三级运算放大器的输出端，另一端连...

【专利技术属性】
技术研发人员：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(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：北京;11