前置放大器、像素单元电路和像素阵列探测器制造技术

本发明专利技术公开了一种前置放大器、像素单元电路和像素阵列探测器，包括：前置放大器，用于接收电流信号，对所述电流信号进行积分从而转换为第一电压信号，对所述电流信号进行增益控制从而得到增益信号，输出所述第一电压信号以及所述增益信号；采样电路器，用于接收所述第一电压信号，对所述第一电压信号进行采样输出第二电压信号；模拟数字转换器，用于接收所述第二电压信号，将所述第二电压信号转换为数字信号，输出所述数字信号；像素数字器，用于接收所述增益信号以及所述数字信号，根据所述像素数字器实现所述数字信号以及所述增益信号的转换，得到第一修调信号，并输出所述第一修调信号。

【技术实现步骤摘要】
前置放大器、像素单元电路和像素阵列探测器
本公开涉及核探测技术和核电子学领域。具体而言，涉及一种前置放大器、像素单元电路和像素阵列探测器。
技术介绍
随着同步辐射装置的不断进步，对探测器装置的成像要求越来越高。在同步辐射各种实验中广泛应用的探测器是二维像素阵列探测器，通过半导体探测单元(如硅光二极管等)阵列与电子学专用集成电路芯片通过铟球倒装焊封装为一体构成。探测器的飞速进步推动了同步辐射装置的快速发展。目前，计数型像素阵列探测器是小角散射、时间分辨等同步辐射实验中使用的主流探测器。计数型像素阵列探测器的单像素计数率最高为107counts/s、读出帧率最高约为1kHz。应用于同步辐射小角散射实验时，由于计数率不够，为了获得较大角度范围内的散射信息，通常需要通过衰减光强或缩短曝光时间来屏蔽掉一定角度范围内的信号，以保证探测器不饱和，这会大大增加高角度区域数据的统计误差，降低小角散射的数据质量。当计数型像素阵列探测器应用于时间分辨实验时，受读出帧率限制，只能开展毫秒级以上的原位动态观测，无法实现更快的原位动态实验。积分型像素阵列探测器是对一段积分时间内的所有光子信号进行处理，使用复位开关对像素单元电路中的积分电容进行直接复位，复位时间快。与计数型像素阵列探测器相比，积分型像素阵列探测器具有非常明显的等效计数率及读出帧率的优势，即不仅同时具有大动态范围及高读出帧率的特性，而且可以获得非常高的等效计数率，其在小角散射、时间分辨等同步辐射实验中的应用，必将推动同步辐射新的实验方法的发展。现有的积分型像素阵列探测器，由于探测器自身的传感器暗电流、读出电路自身失调电压等，会引起积分型像素阵列探测器的失调，为了获得高性能的积分型像素阵列探测器，需要提供一种像素单元电路在消除失调的同时来提高积分型像素阵列探测器的等效计数率及读出帧率。因此，需要一种新的前置放大器、像素单元电路和像素阵列探测器，用于提高探测器的等效计数率及读出帧率，并且消除探测器中各像素之间的失调，以达到同时提高探测效率与成像质量的目的。需要说明的是，在上述
技术介绍
部分专利技术的部分仅用于加强对本公开的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
技术实现思路
本公开实施例的目的在于提供一种前置放大器、像素单元电路和像素阵列探测器，进而至少在一定程度上消除探测器中各像素之间的失调，同时提高探测效率与成像质量。根据本公开的一个方面，提供一种像素单元电路，包括：前置放大器，用于接收电流信号，对所述电流信号进行积分从而转换为第一电压信号，对所述电流信号进行增益控制从而得到增益信号，输出所述第一电压信号以及所述增益信号。采样电路器，用于接收所述第一电压信号，对所述第一电压信号进行采样输出第二电压信号。模拟数字转换器，用于接收所述第二电压信号，将所述第二电压信号转换为数字信号，输出所述数字信号。像素数字器，用于接收所述增益信号以及所述数字信号，根据所述像素数字器实现所述数字信号以及所述增益信号的转换，得到第一修调信号，并输出所述第一修调信号。在本公开的一种示例性实施例中，基于前述方案，所述前置放大器包括：运算放大器，包括输入端和输出端，用于通过所述运算放大器的输入端接收所述电流信号，对所述电流信号进行积分并放大从而转换为第一电压信号，通过所述运算放大器的输出端输出所述第一电压信号。初始电容，包括第一端和第二端，所述初始电容的第一端与所述运算放大器的输入端连接，所述初始电容的第二端与所述运算放大器的输出端连接。暗电流修调电路，连接到所述运算放大器的输入端，所述暗电流修调电路用于接收所述前置放大器的失调电压，实现所述前置放大器的暗电流修调。在本公开的一种示例性实施例中，基于前述方案，所述暗电流修调电路包括：数模转换器，所述数模转换器用于接收所述第一修调信号，并根据所述第一修调信号输出不同的参考电压。第三控制开关，所述第三控制开关包括第一端和第二端，所述第三控制开关的第一端与所述数模转换器的输出端相连。第四控制开关，所述第四控制开关包括第一端和第二端，所述第四控制开关的第一端与所述数模转换器的输出端相连。修调电容Ccorrect，所述修调电容包括输入端和输出端，所述修调电容Ccorrect的输入端接收所述电流信号，所述修调电容Ccorrect的输出端与第三控制开关的第二端连接，并且所述修调电容Ccorrect的输出端还与第四控制开关的第二端连接。在本公开的一种示例性实施例中，前置放大器还包括：复位晶体管，所述复位晶体管包括第一端、第二端以及控制端，所述复位晶体管的第一端与所述初始电容的第一端连接，所述复位晶体管的第二端与所述初始电容的第二端连接，并且所述复位晶体管的控制端用于接收复位信号实现所述复位晶体管的复位。第一控制开关，所述第一控制开关包括第一端和第二端，所述第一控制开关的第一端和所述运算放大器的输出端连接。第一动态电容，所述第一动态电容包括第一端和第二端，所述第一动态电容的第一端与所述运算放大器的输入端相连，所述第一动态电容的第二端与第一控制开关的第二端相连。增益控制器，用于接收电容信号、周期信号以及比较信号，根据所述电容信号、所述周期信号以及所述比较信号向所述第一控制开关输出第一控制信号，并且所述增益控制器接收所述复位信号实现所述增益控制器的复位。比较器，用于接收所述第一电压信号和阈值电压，将所述第一电压信号与所述阈值电压进行比较，并且向所述增益控制器输出所述比较信号。在一个实施例中，前置放大器还包括：第二控制开关，所述第二控制开关包括第一端和第二端，所述第二控制开关的第一端和所述运算放大器的输出端连接。第二动态电容，所述第二动态电容包括第一端和第二端，所述第二动态电容的第一端与所述运算放大器的输入端相连，所述第二动态电容的第二端与第二控制开关的第二端相连。增益控制器，用于接收所述电容信号、所述周期信号以及所述比较信号，根据所述电容信号、所述周期信号以及所述比较信号分别向所述第一控制开关输出第一控制信号，向所述第二控制开关输出第二控制信号，并且所述增益控制器接收所述复位信号实现所述增益控制器的复位。在一个实施例中，前置放大器还包括：N个第N控制开关，所述第N控制开关包括第一端和第二端，所述第N控制开关的第一端与所述运算放大器的输出端连接。N个第三动态电容，所述第三动态电容包括第一端和第二端，所述第三动态电容的第一端与所述运算放大器的输入端相连，所述第三动态电容的第二端和所述第N控制开关的第二端相连。所述增益控制器，用于接收所述电容信号、所述周期信号以及所述比较信号，根据所述电容信号、所述周期信号以及所述比较信号向所述第N控制开关输出第N控制信号，并且所述增益控制器接收所述复位信号实现所述增益控制器的复位。在本公开的一种示例性实施例中，像素数字器用于接收控制字，并实现所述控制字的并行输出，该像素数字器还包括：一组多位移位寄存器，包括配置数据输入本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种像素阵列探测器的像素单元电路，其特征在于，包括：/n前置放大器，用于接收电流信号，对所述电流信号进行积分从而转换为第一电压信号，对所述电流信号进行增益控制从而得到增益信号，输出所述第一电压信号以及所述增益信号；/n采样电路器，用于接收所述第一电压信号，对所述第一电压信号进行采样输出第二电压信号；/n模拟数字转换器，用于接收所述第二电压信号，将所述第二电压信号转换为数字信号，输出所述数字信号；/n像素数字器，用于接收所述增益信号以及所述数字信号，根据所述像素数字器实现所述数字信号以及所述增益信号的转换，得到第一修调信号，并输出所述第一修调信号；/n其中，所述前置放大器包括：/n运算放大器，包括输入端和输出端，用于通过所述运算放大器的输入端接收所述电流信号，对所述电流信号进行积分并放大从而转换为第一电压信号，通过所述运算放大器的输出端输出所述第一电压信号；/n初始电容，包括第一端和第二端，所述初始电容的第一端与所述运算放大器的输入端连接，所述初始电容的第二端与所述运算放大器的输出端连接；/n暗电流修调电路，连接到所述运算放大器的输入端，所述暗电流修调电路用于接收所述前置放大器的失调电压，实现所述前置放大器的暗电流修调。/n...

【技术特征摘要】
1.一种像素阵列探测器的像素单元电路，其特征在于，包括：
前置放大器，用于接收电流信号，对所述电流信号进行积分从而转换为第一电压信号，对所述电流信号进行增益控制从而得到增益信号，输出所述第一电压信号以及所述增益信号；
采样电路器，用于接收所述第一电压信号，对所述第一电压信号进行采样输出第二电压信号；
模拟数字转换器，用于接收所述第二电压信号，将所述第二电压信号转换为数字信号，输出所述数字信号；
像素数字器，用于接收所述增益信号以及所述数字信号，根据所述像素数字器实现所述数字信号以及所述增益信号的转换，得到第一修调信号，并输出所述第一修调信号；
其中，所述前置放大器包括：
运算放大器，包括输入端和输出端，用于通过所述运算放大器的输入端接收所述电流信号，对所述电流信号进行积分并放大从而转换为第一电压信号，通过所述运算放大器的输出端输出所述第一电压信号；
初始电容，包括第一端和第二端，所述初始电容的第一端与所述运算放大器的输入端连接，所述初始电容的第二端与所述运算放大器的输出端连接；
暗电流修调电路，连接到所述运算放大器的输入端，所述暗电流修调电路用于接收所述前置放大器的失调电压，实现所述前置放大器的暗电流修调。


2.如权利要求1所述的像素单元电路，其特征在于，所述暗电流修调电路包括：
数模转换器，所述数模转换器用于接收所述第一修调信号，并根据所述第一修调信号输出不同的参考电压；
第三控制开关，所述第三控制开关包括第一端和第二端，所述第三控制开关的第一端与所述数模转换器的输出端相连；
第四控制开关，所述第四控制开关包括第一端和第二端，所述第四控制开关的第一端与所述数模转换器的输出端相连；
修调电容Ccorrect，所述修调电容包括输入端和输出端，所述修调电容Ccorrect的输入端接收所述电流信号，所述修调电容Ccorrect的输出端与所述第三控制开关的第二端连接，并且所述修调电容Ccorrect的输出端还与所述第四控制开关的第二端连接。


3.如权利要求2所述的像素单元电路，其特征在于，所述前置放大器还包括：
复位晶体管，所述复位晶体管包括第一端、第二端以及控制端，所述复位晶体管的第一端与所述初始电容的第一端连接，所述复位晶体管的第二端与所述初始电容的第二端连接，并且所述复位晶体管的控制端用于接收复位信号实现所述复位晶体管的复位；
第一控制开关，所述第一控制开关包括第一端和第二端，所述第一控制开关的第一端和所述运算放大器的输出端连接；
第一动态电容，所述第一动态电容包括第一端和第二端，所述第一动态电容的第一端与所述运算放大器的输入端相连，所述第一动态电容的第二端与所述第一控制开关的第二端相连；
增益控制器，用于接收电容信号、周期信号以及比较信号，根据所述电容信号、所述周期信号以及所述比较信号向所述第一控制开关输出第一控制信号，并且所述增益控制器接收所述复位信号实现所述增益控制器的复位；
比较器，用于接收所述第一电压信号和阈值电压，将所述第一电压信号与所述阈值电压进行比较，并且向所述增益控制器输出所述比较信号。


4.如权利要求3所述的像素单元电路，其特征在于，所述前置放大器还包括：
第二控制开关，所述第二控制开关包括第一端和第二端，所述第二控制开关的第一端和所述运算放大器的输出端连接；
第二动态电容，所述第二动态电容包括第一端和第二端，所述第二动态电容的第一端与所述运算放大器的输入端相连，所述第二动态电容的第二端与第二控制开关的第二端相连；
所述增益控制器，用于接收所述电容信号、所述周期信号以及所述比较信号，根据所述电容信号、所述周期信号以及所述比较信号分别向所述第一控制开关输出第一控制信号，向所述第二控制开关输出第二控制信号，并且所述增益控制器接收所述复位信号实现所述增益控制器的复位。


5.如权利要求4所述的像素单元电路，其特征在于，所述前置放大器还包括：
N个第N控制开关，所述第N控制开关包括第一端和第二端，所述第N控制开关的第一端与所述运算放大器的输出端连接；
N个第三动态电容，所述第三动态电容包括第一端和第二端，所述第三动态电容的第一端与所述运算放大器的输入端相连，所述第三动态电容的第二端和所述第N控制开关的第二端相连；
所述增益控制器，用于接收所述电容信号、所述周期信号以及所述比较信号，根据所述电容信号、所述周期信号以及所述比较信号向所述第N控制开关输出第N控制信号，并且所述增益控制器接收所述复位信号实现所述增益控制器的复位。


6.根据权利要求1所述的像素单元电路，其特征在于，所述像素数字器包括：
一组多位移位寄存器，用于接收控制字，将所述控制字依次写入所述多位移位寄存器从而得到并行控制字并输出所述并行控制字；其中，
所述多位移位寄存器的第一数据输入端口接收来自所述前置放大器的所述增益信号，所述多位移位寄存器的第二数据输入端口接收来自所述前置放大器的所述数字信号，所述多位移位寄存器将接收到的所述增益信号和所述数字信号进行转换并将转换后的结果作为像素单元数据，并通过所述多位移位寄存器的数据输出端口串行输出所述像素单元数据。


7.根据权利要求6所述的像素单元电路，其特征在于，所述像素数字器还包括：
移位寄存器链，所述数据输出端口与所述多位移位寄存器的配置数据输入端口相连，从而构成移位寄...

【专利技术属性】
技术研发人员：周杨帆，谢亮，刘鹏，李贞杰，李秋菊，丁叶，
申请(专利权)人：中国科学院高能物理研究所，湘潭芯力特电子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11