自触发供电控制的低功耗前端读出电路制造技术

本发明专利技术提供了一种自触发供电控制的低功耗前端读出电路，适用于便携式电子个人剂量仪。通过增加比较器和自触发供电控制模块，监测辐射事件产生的触发事件，通过设置不同工作模式，实现部分模块的自动供电管理，从而有效地减少了前端读出电路在未检测到有效输入信号时产生的静态功耗，延长电子个人剂量仪的工作时间。本发明专利技术也可以用于其他应用的前端读出电路设计。

Low power front-end readout circuit for self triggering power supply control

【技术实现步骤摘要】
自触发供电控制的低功耗前端读出电路
本专利技术属辐射探测前端读出领域，具体涉及一种自触发供电控制的低功耗前端读出电路，适用于电子个人剂量仪中辐射探测器前端读出专用集成电路，也适用于其他核辐射探测应用。
技术介绍
X和γ射线辐射探测用电子个人剂量仪的电子系统主要由前端电子系统和液晶显示屏(LCD)组成，如图1所示。其中，前端电子系统主要由电池、低压降线性稳压器(LDO)、辐射探测器、前端读出专用集成电路(ASIC)、微控制器(MCU)组成。前端读出ASIC是前端电子系统的核心电子元器件，其功能是对辐射探测器产生的微弱电流信号进行读出和处理，对于提升个人剂量仪的整体性能非常重要。电子个人剂量仪的工作原理是：首先，环境中的X或γ射线入射到探测器后，与探测器材料相互作用产生电子空穴对，在电场的作用下定向移动形成微弱的电流脉冲信号，该电信号经由前端读出ASIC读出、放大、整形滤波和数字化，输出的数字信号被微处理器MCU采集和分析处理，得出辐射射线能量损失大小和事件计数率等有用信息，然后通过专门算法转换成辐射剂量，将信息显示在液晶显示屏上。个人剂量仪作为一种便携式设备，要求采用电池供电可持续工作100小时以上，要求整个系统的功耗尽可能地低。在个人剂量仪电子系统中，前端读出电路ASIC的功耗占主要贡献。文献“Y.Duan,Y.Yao,Z.Li,J.Zhou,P.Huang,andW.Gao,"SENSROC12:aFour-ChannelBinary-OutputFront-EndReadoutASICforSi-PIN-basedPersonalDosimeters,"IEEETransactionsonNuclearScience,Vol.66,no.4,pp.1976-1983.2019.”中记载了传统的前端读出ASIC结构，如图2所示，由前置放大器、成形器、鉴别器和内部带隙基准电路组成，前置放大器用于对探测器输出的信号进行放大，成型器用于对前置放大器的输出信号进行滤波和成形，鉴别器用于生成触发信号，内部带隙基准电路为读出通路的各个模块提供直流工作点以保证电路正常工作。正常工作时，读出通路的静态功耗可由Pchannel＝VDDA·Ichannel给出，其中，Ichannel为单读出通路的总静态电流，按照Ichannel＝ICSA+IShaper+IDISCR计算得到，ICSA、IShaper和IDISCR分别为前置放大器、成形器和鉴别器电路模块的静态电流，VDDA为模拟电源电压。文献中的前端读出ASIC在实际应用中由MCU进行动态电源管理，在睡眠模式下掉电，不产生功耗。但是，当个人剂量仪正常工作时，MCU控制信号打开电源电压开关，给前端读出ASIC供电。由于辐射源发射的X或γ射线是离散的，两个事件的时间间隔是随机的，在这个时间间隔中前端读出ASIC处于待机状态，会产生不必要的静态功耗，致使电池供电的个人剂量仪待机时间减小。因此，需要一种新的低功耗技术来解决上述的问题。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足，本专利技术提供一种自触发供电控制的低功耗前端读出电路，适用于便携式电子个人剂量仪。通过增加比较器和自触发供电控制模块，监测辐射事件产生的触发事件，通过设置不同工作模式，实现部分模块的自动供电管理，从而有效地减少了前端读出电路在未检测到有效输入信号时产生的静态功耗，延长电子个人剂量仪的工作时间。本专利技术也可以用于其他应用的前端读出电路设计。一种自触发供电控制的低功耗前端读出电路，包括前置放大器、成形器、鉴别器和内部带隙基准电路，前置放大器用于对探测器输出的信号进行放大，成型器用于对前置放大器的输出信号进行滤波和成形，鉴别器用于生成触发信号，内部带隙基准电路为读出电路的各个模块提供直流工作点，其特征在于：所述的读出电路还包括比较器和自触发供电控制模块，所述的比较器将前置放大器的输出信号与触发阈值电压进行比较，并输出结果信号到自触发供电控制模块，所述的自触发供电控制模块检测并依据比较器输出信号和鉴别器输出信号控制开关S1、S2和S3的打开和闭合，实现读出电路工作模式的转换，其中，开关S1控制成形器的连通或断开，开关S2控制鉴别器的连通或断开，开关S3控制比较器的连通或关断。如前所述的前端读出电路包括检测模式和正常工作模式两种工作模式，检测模式下，自触发供电控制模块控制开关S3闭合，开关S1和S2打开；正常工作模式下，自触发供电控制模块开关S3打开，开关S1和S2闭合。如前所述的前端读出电路的工作过程为：上电初始化后，自触发供电控制模块的输出信号一Dmode为1，使开关S3闭合，输出信号二Nmode为0，使开关S1、S2处于打开状态，读出电路处于检测模式；当前置放大器CSA的输出信号小于触发阈值电压VTH时，比较器的输出信号Trig_D为低电平，此时成形器和鉴别器关断，只有前置放大器CSA、比较器和自触发供电控制模块工作，读出电路继续工作在检测模式下；当前置放大器CSA的输出信号大于触发阈值电压VTH时，比较器的的输出信号Trig_D为高电平，自触发供电控制模块检测到Trig_D的上升沿后，将输出信号二Nmode置为1，使开关S1和S2闭合，输出信号一Dmode置为0，使开关S3打开，此时比较器不工作，其他所有模块正常工作，读出电路进入正常工作模式；在正常工作模式下，自触发供电控制模块同时检测鉴别器输出信号Trig_N，当检测到信号Trig_N产生下降沿后，延时N个时钟周期，在这期间检测信号Trig_N下一个波形是否产生上升沿，若信号Trig_N仍为低电平，自触发供电控制模块将输出信号二Nmode置为0，使开关S1和S2打开，输出信号一Dmode置为1，使开关S3闭合，读出电路进入检测模式，否则，读出电路继续处于正常工作模式。本专利技术的有益效果是：由于带有自触发供电控制模块，能够实现部分模拟电路的自动供电管理，进一步降低前端读出电路ASIC的总功耗，从而保证个人剂量仪在无辐射事件的时间间隔中以超低功耗工作，延长工作时间。附图说明图1是电子个人剂量仪的前端电子系统框图；图2是一种传统的用于电子个人剂量仪的前端读出ASIC结构；图中，Vref-鉴别器输入端的阈值比较电压；图3是本专利技术的自触发供电控制的低功耗前端读出ASIC结构；图中，VDD-数字电路的电源电压，CLK-自触发供电控制模块的时钟信号；图4是自触发供电控制模块的时序图；图5是内部基准电路和读出电路的偏置模块的具体实施拓扑结构；图中，AMP-内部基准产生电路中的放大器，R-内部基准产生电路中的电阻；图6是前端读出通路的电路拓扑结构；图中，Rf-前置放大器电路的反馈电阻，R1-成形器中微分电路的电阻，R2-成形器中积分电路中的电阻，Cf-前置放大器电路的反馈电容，C1-成形器中微分电路中的电容，C2-成形器中积分电路中的电容；图7是前置放大器和成形器的核心放大器拓扑结构；图中，GNDA-输入管M0的源极电压以及折叠M1的栅极电本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种自触发供电控制的低功耗前端读出电路，包括前置放大器、成形器、鉴别器和内部带隙基准电路，前置放大器用于对探测器输出的信号进行放大，成型器用于对前置放大器的输出信号进行滤波和成形，鉴别器用于生成触发信号，内部带隙基准电路为读出电路的各个模块提供直流工作点，其特征在于：所述的读出电路还包括比较器和自触发供电控制模块，所述的比较器将前置放大器的输出信号与触发阈值电压进行比较，并输出结果信号到自触发供电控制模块，所述的自触发供电控制模块检测并依据比较器输出信号和鉴别器输出信号控制开关S

【技术特征摘要】
1.一种自触发供电控制的低功耗前端读出电路，包括前置放大器、成形器、鉴别器和内部带隙基准电路，前置放大器用于对探测器输出的信号进行放大，成型器用于对前置放大器的输出信号进行滤波和成形，鉴别器用于生成触发信号，内部带隙基准电路为读出电路的各个模块提供直流工作点，其特征在于：所述的读出电路还包括比较器和自触发供电控制模块，所述的比较器将前置放大器的输出信号与触发阈值电压进行比较，并输出结果信号到自触发供电控制模块，所述的自触发供电控制模块检测并依据比较器输出信号和鉴别器输出信号控制开关S1、S2和S3的打开和闭合，实现读出电路工作模式的转换，其中，开关S1控制成形器的连通或断开，开关S2控制鉴别器的连通或断开，开关S3控制比较器的连通或关断。


2.如权利要求1所述的一种自触发供电控制的低功耗前端读出电路，其特征在于：包括检测模式和正常工作模式两种工作模式，检测模式下，自触发供电控制模块控制开关S3闭合，开关S1和S2打开；正常工作模式下，自触发供电控制模块开关S3打开，开关S1和S2闭合。


3.如权利要求1或2所述的一种自触发供电控制的低功耗前端读出电路，其特征在于：工作过程为：上电初始化后，自...

【专利技术属性】
技术研发人员：高武，李志军，王建文，毛庆山，王博，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61