一种静态功耗自动配置的低功耗前端读出电路及设计方法技术

本发明专利技术提供了一种静态功耗自动配置的低功耗前端读出电路及设计方法，属于低功耗前端读出集成电路结构领域。通过设计静态功耗可配置的前置放大器和全自动配置自动配置逻辑，根据不同情况下设定的阈值电压来实现前端读出ASIC的模拟前端电路静态功耗的动态管理，从而实现了在不同探测能量下限的条件下，前端读出ASIC工作在最低的功耗且满足触发率的目标。通过本发明专利技术中数字辅助的方法实现了模拟前端静态功耗的全自动管理，使前端读出ASIC可以获得更低的功耗并且适合工艺尺寸缩小的低功耗设计趋势。计趋势。计趋势。

【技术实现步骤摘要】
一种静态功耗自动配置的低功耗前端读出电路及设计方法


[0001]本专利技术属于低功耗前端读出集成电路结构领域，具体涉及一种静态功耗自动配置的低功耗前端读出电路及设计方法。

技术介绍

[0002]前端读出专用集成电路(ASIC)是半导体辐射探测器系统种的核心电子元器件，用于对辐射探测器产生的微弱电流信号进行读出和处理，对于辐射探测系统的整体性能影响非常大。
[0003]传统的前端读出ASIC的结构如图1所示，其中，前置放大器(Pre
‑
amplifier)和成形器(Shaper)是读出通路的模拟前端，鉴别器(Discriminator)用来实现模拟信号到数字信号的触发转换，数模转换器(DAC)用来提供阈值电压V
ref
，数字处理电路对鉴别器的输出信号进行处理，从而实现全数字读出。
[0004]其工作原理具体是：首先，入射到辐射探测器中的粒子与探测器材料相互作用产生电子空穴对，在探测器偏置电压的作用下定向移动形成微弱的电流脉冲信号；然后，前置放大器和成形器依次对该电信号进行放大和整形滤波；最后，成形器的输出的信号与预设的阈值电压V
ref
进行比较，当成形器的输出信号高于阈值电压V
ref
时，鉴别器输出数字触发信号，数字处理电路对该数字触发信号处理得到入射粒子的能量以及时间信息。
[0005]如图1所示，在传统的前端读出ASIC中，读出通道的功耗可由以下公式给出
[0006]P
total
＝VDDAr/>·
I
total
+P
digital
ꢀꢀꢀ
(1)
[0007]I
total
＝I
pre_amp
+I
Shaper
+I
Discriminator
ꢀꢀꢀ
(2)
[0008]其中，I
total
为读出通路模拟前端的总静态电流，I
pre_amp
、I
Shaper
和I
Discriminator
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，P
digital
为数字处理电路的功耗。
[0009]在粒子径迹探测系统中，安置在入射源和读出电子系统之间的冷却装置会影响探测精度。在便携式的个人剂量仪设备中，采用电池供电的前端读出电子学要保证可持续工作100小时以上。此外，在超多读出通路以及大面积像素阵列的其他前端读出系统中更要保证读出ASIC的低功耗性能，而现有技术实现低功耗的方法一般是采用更高工艺尺寸或者针对专门的应用环境进行低功耗设计。从上述公式中可以看出，传统的前端读出ASIC的低功耗电路的实现具有以下缺点：模拟前端的静态功耗在设计完成后无法根据实际应用环境进行动态配置。这种情况不利于通用型前端读出芯片的设计，增加了超多通路和大面积像素阵列前端读出芯片的低功耗设计难度，并且，随着CMOS工艺尺寸缩小，这种方式使低功耗前端读出ASIC设计困难增加。
[0010]由于传统的前端读出ASIC的低功耗电路具有上述缺点，因此需要一种新的低功耗技术来解决上述问题。

技术实现思路

[0011]为了克服上述现有技术存在的不足，本专利技术提供了一种静态功耗自动配置的低功耗前端读出电路及设计方法。
[0012]为了实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0013]一种静态功耗可全自动配置的低功耗前端读出电路，包括:
[0014]前置放大器，其输入端与辐射探测器的输出端连接，用于对辐射探测器产生的电信号放大；
[0015]成形器，其输入端与所述前置放大器的输出端连接，用于信号放大后的辐射探测器产生的电信号整形滤波；
[0016]数模转换器，用于提供阈值电压V
ref
；
[0017]自动配置逻辑，其输出端与静态功耗配置位连接、并根据电压V
ref
调节静态功耗配置位；
[0018]鉴别器，其输入端分别与所述成形器和所述数模转换器的输出端连接，当成形器的输出信号高于阈值电压V
ref
，鉴别器输出触发信号；
[0019]数字处理电路，其输入端与鉴别器的输出端连接，用于处理所述触发信号。
[0020]静态功耗可全自动配置的低功耗前端读出电路的设计方法，包括以下步骤：
[0021]确定所述前置放大器和成形器连接成的模拟前端电路的输出噪声与前置放大器静态功耗之间的关系；
[0022]确定不同阈值电压V
ref
下前置放大器的最低静态功耗，所述自动配置逻辑根据所述最低静态功耗对所述静态功耗配置位动态配置。
[0023]优选的，确定模拟前端电路的输出噪声与前置放大器静态功耗之间的关系的步骤包括：
[0024]对模拟前端电路建立等效噪声模型；
[0025]将前置放大器输入端的电流噪声表达为，
[0026][0027]将前置放大器输入端的电压噪声表达为，
[0028][0029]将所述成形器的输出端的总噪声表达为，
[0030][0031]将成形器输出端总噪声转换为等效噪声电荷ENC表示模拟前端电路的噪声，
[0032][0033]由公式(6)得到，前置放大器输入管跨导g
m
与所述模拟前端电路的直流偏置电流I
DS
的关系如下，
[0034][0035]通过公式(7)表示模拟前端电路的输出噪声与前置放大器静态功耗之间的关系；
[0036]其中，q为单位电荷，I
leak
为探测器的漏电流，k为玻尔兹曼常数，T为环境绝对温度，R
bias
为探测器的偏置电阻，R
f
为前置放大器的反馈电阻；g
m
为前置放大器输入管的跨导，K
f
为低频噪声的系数，C
ox
为单位面积的栅氧化层电容，W和L为输入管的宽和长，f表示频率；其中μ为电子或空穴的迁移率。
[0037]优选的，确定不同阈值电压V
ref
下前置放大器的最低静态功耗的步骤包括：
[0038]将阈值电压V
ref
的变化量表示为，
[0039]ΔV
ref
＝V
ref
‑
V
ref_min
ꢀꢀꢀ
(8)
[0040]通过阈电压值V
ref
的变化量和模拟前端的转换增益H
o
确定对应的等效噪声电荷ENC变化量为，
[0041][0042]结合所述公式(6)、(7)和(9)得到所述阈值电压V
ref
和前置放大器的输入管的偏置电流I
DS
存在对应关系如公式(10)所示，
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种静态功耗可全自动配置的低功耗前端读出电路，其特征在于，包括:前置放大器，其输入端与辐射探测器的输出端连接，用于对辐射探测器产生的电信号放大；成形器，其输入端与所述前置放大器的输出端连接，用于信号放大后的辐射探测器产生的电信号整形滤波；数模转换器，用于提供阈值电压V
ref
；自动配置逻辑，其输出端与静态功耗配置位连接、并根据电压V
ref
调节静态功耗配置位；鉴别器，其输入端分别与所述成形器和所述数模转换器的输出端连接，当成形器的输出信号高于阈值电压V
ref
，鉴别器输出触发信号；数字处理电路，其输入端与鉴别器的输出端连接，用于处理所述触发信号。2.根据权利要求2所述的静态功耗可全自动配置的低功耗前端读出电路的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：确定所述前置放大器和成形器连接成的模拟前端电路的输出噪声与前置放大器静态功耗之间的关系；确定不同阈值电压V
ref
下前置放大器的最低静态功耗，所述自动配置逻辑根据所述最低静态功耗对所述静态功耗配置位动态配置。3.根据权利要求2所述的静态功耗可全自动配置的低功耗前端读出电路的设计方法，其特征在于，确定模拟前端电路的输出噪声与前置放大器静态功耗之间的关系的步骤包括：对模拟前端电路建立等效噪声模型；将前置放大器输入端的电流噪声表达为，将前置放大器输入端的电压噪声表达为，将所述成形器的输出端的总噪声表达为.将成形器输出端总噪声转换为等效噪声电荷ENC表示模拟前端电路的噪声，由公式(6)得到，前置放大器输入管跨导g
m
与所述模拟前端电路的直流偏置电流I
DS
的
关系如下，通过公式(7)表示模拟前端电路的输出噪声与前置放大器静态功耗之间的关系；其中，q为单位电荷，I
leak
为探测器的漏电流，k为玻尔兹曼常数，T为环境绝对温度，R
bias
为探测器的偏置电阻，R
f
为前置放大器的反馈电阻；g
m
为前置放大器输入管的跨导，K
f
为低频噪声的系数，C
ox
为单位面积的栅氧化层电容，W和L为输入管的宽和长，f表示频率；其中μ为电子或空穴的迁移率。4.根据权利要求3所述的静态功耗可全自动配置的低功耗前端读出电路的设计方法，其特征在于，确定不同阈值电压V

【专利技术属性】
技术研发人员：郑然，李志军，王佳，魏晓敏，薛菲菲，胡永才，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：