适用于低电源电压的过阈时间甄别电路制造技术

本发明专利技术提供一种适用于低电源电压的过阈时间甄别电路，包含一个主反馈网络和一个阈值反馈网络，且为全差分结构；其中，所述主反馈网络由N型MOS管差分对M1a和M1b、电流源I1a和电流源I1b、负载反馈网络、第一反馈网络和跨导放大器Gm构成。阈值反馈网络由N型MOS管差分对M2a和M2b、电流源I2a和电流源I2b和第二反馈网络构成。本发明专利技术有针对性地解决了传统过阈时间甄别电路系统中共模反馈与阈值设置电路存在的缺点，特别是，对皮秒级高时间分辨性能与低电源电压之间的矛盾的有效解决是本发明专利技术的最显著的优点。显著的优点。显著的优点。

【技术实现步骤摘要】
适用于低电源电压的过阈时间甄别电路


[0001]本专利技术属于高精度时间测量集成电路
，具体涉及一种适用于低电源电压的过阈时间甄别电路。

技术介绍

[0002]在三维识别、汽车激光雷达、核医学成像、粒子物理等应用领域，不仅要求测量电荷信息，而且对探测器系统的时间分辨性能的要求越来越高。当前对时间分辨性能的要求已经到达皮秒量级。尽管传功的基于过阈时间甄别(Time
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over
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threshold，ToT)技术的探测器读出集成电路系统可以同时测量电荷信息和时间信息，但是已经越来越无法满足更高的时间分辨性能需求。随着体硅互补型金属氧化物半导体(CMOS)工艺特征尺寸的减小，一方面，器件的本征速度变得越来越快，这非常有利于提高时间分辨性能。但是另一方面，电源电压也随之降低，这给读出集成电路系统的设计带来了巨大的挑战。
[0003]现有的高时间分辨过阈时间甄别电路系统一般基于跨阻放大器，图1给出了差分形式的跨阻放大器系统架构。该系统为全差分系统，输入信号为探测器的输出差分电流(Iinp和Iinn)，输出信号为差分电压(Voutp和Voutn)，其中差分阈值电压(Vthp与Vthn)由外部输入。该系统由四个部分组成：分别为跨阻放大器电路、高速比较器电路、低压差分信号(LVDS)电路和共模反馈与阈值设置电路。其中跨阻放大器将探测器输出差分电流(也即Iinp和Iinn)转化为差分电压；高速比较器将跨阻放大器输出的差分弱电压进行开环放大；LVDS电路将高速比较器输出的大摆幅差分电压(V2p和V2n)转化为低压差分信号(Voutp和Voutn)；共模反馈与阈值设置电路将将高速比较器输出的差分电压(V1p和V1n)和差分阈值电压(Vthp和Vthn)转化为差分电流(Ifbp和Ifbn)馈入跨阻放大器，并使系统形成负反馈结构，稳定系统共模电压，，实现基于过阈时间(Time
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over
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Threshold，ToT)甄别方法的阈值调节功能。
[0004]过阈时间甄别电路系统中的共模反馈与阈值设置电路的传统实现方式如图2所示，其中两个N型MOS管差分对M1a和M1b接收来自高速比较器的差分电压V1p和V1n，负载反馈网络用于提取共模信号，并将M1差分对管输出的差分电流转化为差分电压。跨导放大器(Gm)将这个差分电压转化为差分电流。其中M2a和M2b两个N型MOS管差分对接收来自外部的差分阈值电压Vthp和Vthn，并通过M1a和M1b差分对、负载反馈网络以及跨导放大器(Gm)转化为差分电流。第一反馈网络和第二反馈网络用于提高系统的线性度并改善动态范围，电流源I1a和I1b为两个支路提供偏置电流。跨导放大器(Gm)输出的差分电流Ifbp和Ifbn为差分电压V1p、V1n和差分阈值电压Vthp、Vthn共同作用的结果。该电路的特征在于管M1与管M2级联，即管M2的漏端与管M1的源端相连。
[0005]传统共模反馈与阈值设置电路存在以下三个缺点：首先，管M1与管M2级联，消耗了电压裕度，使得该电路无法工作于低电源电压的应用中。特别是当系统的时间分辨性能要求在皮秒级时，要求采用特征尺寸较小的工艺，以减小寄生参数，提高器件的本征速度。而随着特征尺寸的减小，电源电压也随之降低。但是，当电源电压降低到1.2V以下时，这个电
路就无法工作了。也就是说，传统共模反馈与阈值设置电路存在高时间分辨性能与低电源电压之间不可调和的矛盾；其次，管M1与管M2共用一条电流支路，这对V1和Vth的共模电平提出了限制；再次，管M1与管M2级联，管M2会影响第一反馈网络的有效性。

技术实现思路

[0006]为了利用先进工艺(即小特征尺寸工艺)的高速的特点，同时缓解低电源电压的限制，本专利技术提供一种适用于低电源电压的过阈时间甄别电路，针对性地解决了传统过阈时间甄别电路系统中共模反馈与阈值设置电路存在的缺点。
[0007]为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案为：
[0008]一种适用于低电源电压的过阈时间甄别电路，其为共模反馈与阈值设置电路，包含一个主反馈网络和一个阈值反馈网络，且为全差分结构；其中，所述主反馈网络由N型MOS管差分对M1a和M1b、电流源I1a和电流源I1b、负载反馈网络、第一反馈网络和跨导放大器Gm构成；N型MOS管差分对M1a和M1b的栅极与输入差分电压V1p和V1n相连，它们的漏极与负载反馈网路和跨导放大器Gm相连，它们的源极与电流源I1a、I1b和第一反馈网络相连；所述阈值反馈网络由N型MOS管差分对M2a和M2b、电流源I2a和电流源I2b、第二反馈网络构成；N型MOS管差分对M2a和M2b的栅极与差分阈值电压Vthp和Vthn相连，它们的源极与电流源I2a和电流源I2b以及第二反馈网络相连,它们的漏极与负载反馈网路和跨导放大器Gm相连。
[0009]进一步地，所述电流源I1a和电流源I1b、电流源I2a和电流源I2b均采用N型MOS管实现。
[0010]进一步地，采用单端形式，包含一个主反馈网络和一个阈值反馈网络，其中主反馈网络由N型MOS管M1、电流源I1、负载反馈网络、第一反馈网络和跨导放大器Gm构成；N型MOS管M1的栅极与差分输入电压V1相连，其漏极与负载反馈网路和跨导放大器Gm相连，其源极与电流源I1和第一反馈网络相连；阈值反馈网络由N型MOS管M2、电流源I2、第二反馈网络构成；N型MOS管M2的栅极与单端阈值电压Vth相连，其源极与电流源I2和第二反馈网络相连，其漏极与负载反馈网路和跨导放大器Gm相连。
[0011]进一步地，所述主反馈网络将高速比较器输出的单端电压V1转换为单端电流Ifb1，馈入跨阻放大器，形成共模负反馈闭环结构；所述阈值反馈网络将单端阈值电压Vth转换为单端电流Ifb2，馈入跨阻放大器，形成共模负反馈闭环结构；跨导放大器Gm的输出单端电流Ifb为Ifb1与Ifb2的叠加，即Ifb＝Ifb1+Ifb2。
[0012]进一步地，利用P型MOS管差分对M1c和M1d替换N型MOS管差分对M1a和M1b，同时利用P型MOS管差分对M2c和M2d替换N型MOS管差分对M2a和M2b。
[0013]有益效果：
[0014]本专利技术有针对性地解决了传统过阈时间甄别电路系统中共模反馈与阈值设置电路存在以下三个缺点，特别是，对皮秒级高时间分辨性能与低电源电压之间的矛盾的有效解决是本专利技术的最显著的优点。
附图说明
[0015]图1为现有技术的差分形式的跨阻放大器系统架构；
[0016]图2为传统共模反馈与阈值设置电路；
[0017]图3为本专利技术的适用于低电源电压的差分形式的共模反馈与阈值设置电路；
[0018]图4为本专利技术的适用于低电源电压的单端形式的共模反馈与阈值设置电路；
[0019]图5为单端形式的跨阻放大器系统架构；
[0020]图6为本专利技术的适用于低电源电压的差分形式的共模反馈与阈值设置电路(以P型MOS管为主)。
具本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种适用于低电源电压的过阈时间甄别电路，其特征在于：其为共模反馈与阈值设置电路，包含一个主反馈网络和一个阈值反馈网络，且为全差分结构；其中，所述主反馈网络由N型MOS管差分对M1a和M1b、电流源I1a和电流源I1b、负载反馈网络、第一反馈网络和跨导放大器Gm构成；N型MOS管差分对M1a和M1b的栅极与输入差分电压V1p和V1n相连，它们的漏极与负载反馈网路和跨导放大器Gm相连，它们的源极与电流源I1a、I1b和第一反馈网络相连；所述阈值反馈网络由N型MOS管差分对M2a和M2b、电流源I2a和电流源I2b、第二反馈网络构成；N型MOS管差分对M2a和M2b的栅极与差分阈值电压Vthp和Vthn相连，它们的源极与电流源I2a和电流源I2b以及第二反馈网络相连,它们的漏极与负载反馈网路和跨导放大器Gm相连。2.根据权利要求1所述的一种适用于低电源电压的过阈时间甄别电路，其特征在于：所述电流源I1a和电流源I1b、电流源I2a和电流源I2b均采用N型MOS管实现。3.根据权利要求1所述的一种适用于低电源电压的过阈时间甄别电路，其特征在于：采用单端形式，包含一个主反馈网络和一个阈值反馈网络，其中主反馈...

【专利技术属性】
技术研发人员：陆波，江晓山，李怀申，魏微，王铮，
申请(专利权)人：中国科学院高能物理研究所，
类型：发明
国别省市：