光电倍增管信号读出芯片制造技术

本发明专利技术提供一种光电倍增管信号读出芯片，包括：输入晶体管，所述输入晶体管的源极和芯片输入端共同通过恒流源接地，输入晶体管的栅极连接放大器的输出端，放大器的输入端连接芯片输入端，其中，放大器的放大倍数被设计为适于使得输入晶体管的源极输入电压低于输入晶体管的耐压限值；第一电流镜，所述第一电流镜的输入侧连接输入晶体管的漏极，对流经第一电流镜的输入侧的电流进行镜像，在第一电流镜的若干输出侧分别输出镜像增益电流；第二电流镜，为所述第一电流镜的每个输出侧分别配设各一个所述第二电流镜，每个第二电流镜分别对所对应的第一电流镜的输出侧的电流进行镜像并以自身输出侧的漏极开路作为芯片输出端输出镜像增益电流，其中，每个芯片输出端具有不同的增益。的增益。的增益。

【技术实现步骤摘要】
光电倍增管信号读出芯片


[0001]本专利技术涉及一种光电倍增管(PMT)信号读出芯片，尤其是一种高增益微通道板光电倍增管(MCP
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PMT)信号读出芯片。

技术介绍

[0002]光电倍增管(PMT)作为光电转换器件将打到光阴极上的光子转换成电子并通过微通道板进行电子倍增，从而实现光信号的探测。光电倍增管被应用于各种光探测设备领域。大尺寸的光电倍增管常常被用在大型高能物理实验基础研究装置中，特别是近年来的出现的微通道板光电倍增管(MCP
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PMT)因其响应速度更快、增益更高(约1
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107，输出信号电流峰值能达到500mA以上)、线性输出动态范围更大等特点被广泛应用。随着高速波形采样技术的发展，物理学家不仅想要获得电荷量，也想要获得波形的完整形状信息，全波形信号获取成为探测器信号读出与处理的目标。高能物理实验测量的动态范围很大，一个高速ADC并不能完全覆盖整个动态范围，因此需要分量程进行测量。
[0003]传统的光电倍增管读出芯片针对的光电倍增管增益较小，均在1
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106量级，且大部分采用电荷积分形式。如图1所示，信号经过放大、成形、峰值保持、A/D转换，并且A/D转换采样率一般较低。
[0004]应用于1
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107增益下光电倍增管的信号且使用高速波形采样技术的方案均采用分立商用电压运算放大器搭建，并采用输入端电阻网络分压实现大动态范围信号测量，如图2所示。对于大信号的情况，高增益量程的电压放大器输入端承受冲击很大，因此需要选择更大的电压供电的商用运算放大器，而越大供电的运算放大器的带宽就越小，难以满足微通道板光电倍增管读出电路的带宽需求。供电电压大的商用运算放大器其输出电压范围也大，在高增益量程前放输出或ADC输入需要钳位保护，以免ADC受到大信号冲击。
[0005]本领域技术人员可能考虑的一种分量程读出微通道板光电倍增管(MCP
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PMT)信号的技术方案是集成多个电压运算放大器，但代价是带宽受增益影响显著，电路供电电压必须超过信号幅度，因而必须采用耐压更高的晶体管，这也造成了晶体管速度下降。此外，采用多个运算放大器造成的问题是，功耗会明显增加。
[0006]另一种可能的尝试是集成多个跨阻放大器。这能够实现微通道板光电倍增管(MCP
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PMT)信号的分量程读出。但由于输入端流过放大器的电流与跨阻放大器的输入阻抗有关，因而流过各量程的跨阻放大器的电流的比例关系很难控制，且其带宽受增益影响显著。同样，采用多个运算放大器会造成功耗明显增加。
[0007]因此，希望能够提供一种光电倍增管信号读出芯片，该芯片能够实现微通道板光电倍增管在1
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107增益下信号接收及分量程输出，以实现光信号的大动态范围测量，并保留信号原始波形形状信息。

技术实现思路

[0008]针对以上的技术问题，本专利技术提供一种光电倍增管信号读出芯片，该光电倍增管
信号读出芯片包括：输入晶体管，所述输入晶体管的源极和芯片输入端共同通过恒流源接地，所述输入晶体管的栅极连接放大器的输出端，所述放大器的输入端连接芯片输入端，其中，所述放大器的放大倍数被设计为适于增大所述输入晶体管跨导，以使得所述输入晶体管的源极输入电压低于所述输入晶体管的耐压限值；第一电流镜，所述第一电流镜的输入侧连接所述输入晶体管的漏极，对流经所述第一电流镜的输入侧的电流进行镜像，在所述第一电流镜的若干输出侧分别输出镜像增益电流；第二电流镜，其中，为所述第一电流镜的每个输出侧分别配设各一个所述第二电流镜，每个所述第二电流镜分别对所对应的所述第一电流镜的输出侧的电流进行镜像并以自身输出侧的漏极开路作为芯片输出端输出镜像增益电流，其中，每个所述芯片输出端具有不同的增益。
[0009]如图3所示，微通道板光电倍增管信号电流全部接收，保持信号的原始波形特征，根据第一电流镜和第二电流镜设定的不同增益按比例缩小所接收的信号电流，并在第二电流镜的输出端实现分量程输出。
[0010]芯片输入端连接的放大器放大了输入晶体管的跨导，从而减小了输入晶体管的输入阻抗。适当选择放大器的放大倍数使大电流情况下在输入晶体管的输入端产生的电压小于输入晶体管的耐压限值，从而避免微通道板光电倍增管(MCP
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PMT)信号的大电流冲击造成芯片输入端损坏而失效。
[0011]根据本专利技术的光电倍增管信号读出芯片的一种优选实施方式，所述光电倍增管信号读出芯片还包括电流旁路，所述电流旁路能够根据芯片输入端的电压检测结果接通和断开，在接通时用于旁路所述输入晶体管。
[0012]微通道板光电倍增管信号(MCP
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PMT)是负的单极性信号，过大的信号电流可以直接从电源旁路。在芯片输入端进行电压检测，信号来临时，芯片输入端电压下降，当检测到输入端电压下降到一定值时，接通电流旁路使大电流从电源旁路，不再经过所述输入晶体管。
[0013]根据本专利技术的光电倍增管信号读出芯片的一种优选实施方式，至少一个所述第二电流镜的输出侧由多个并联器件组成。作为替代或补充的是，至少一个所述第二电流镜的输入侧由多个并联器件组成。或者，至少一个所述第一电流镜的输出侧由多个并联器件组成。
[0014]第一电流镜和第二电流镜的增益共同决定了从第二电流镜引出的镜像电流增益。根据第一电流镜的输出侧和第二电流镜的输入侧和输出侧并联器件的支路数目，可以设定每个第二电流镜的输出的镜像电流增益。第一电流镜和第二电流镜的沟道宽度和长度的比值也对各电流镜的镜像电流增益有影响，但在设计中为简化起见在各并联支路中采用相同的器件，通过设定并联器件的不同数目，能够达到对于镜像电流增益更精确直观的设定。
[0015]进一步地，第二电流镜的输出侧的至少一个所述并联器件能够通过栅极开关接入和断开，从而简便地改变第二电流镜的输出侧的并联器件的数目，从而改变所述第二电流镜的镜像增益。类似地，也可以考虑第二电流镜的输入侧的至少一个所述并联器件能够通过栅极开关接入和断开的技术方案，这通过第二电流镜的输入侧的并联器件数目实现了对第二电流镜的镜像电流增益。类似地，将第一电流镜的输出侧的至少一个并联器件设计成能够通过栅极开关接入和断开，这也能够改变所述第一电流镜的镜像增益，从而改变第二电流镜输出的镜像增益电流。
[0016]上述的第一电流镜和每个第二电流镜可以根据需要分别设计单管电流镜、Cascode电流镜、Wilson电流镜中的任意一种，不同并联支路也可以组合使用这些不同类型的电流镜。
[0017]应当理解，根据本专利技术的光电倍增管信号读出芯片不局限于读出微通道板光电倍增管的大电流信号，也可用于其他信号特征类似的探测器信号的读出。
附图说明
[0018]图1是传统光电倍增管信号读出芯片原理图；
[0019]图2是传统采用高速波形采样读出原理图；
[0020]图3是根据本专利技术的光电倍增管信号读出芯片的原理图。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光电倍增管信号读出芯片，其特征在于，该光电倍增管信号读出芯片包括：输入晶体管，所述输入晶体管的源极和芯片输入端共同通过恒流源接地，所述输入晶体管的栅极连接放大器的输出端，所述放大器的输入端连接芯片输入端，其中，所述放大器的放大倍数被设计为适于增大所述输入晶体管跨导，以使得所述输入晶体管的源极输入电压低于所述输入晶体管的耐压限值；第一电流镜，所述第一电流镜的输入侧连接所述输入晶体管的漏极，对流经所述第一电流镜的输入侧的电流进行镜像，在所述第一电流镜的若干输出侧分别输出镜像增益电流；第二电流镜，为所述第一电流镜的每个输出侧分别配设各一个所述第二电流镜，每个所述第二电流镜分别对所对应的所述第一电流镜的输出侧的电流进行镜像并以自身输出侧的漏极开路作为芯片输出端输出镜像增益电流，其中，每个所述芯片输出端具有不同的增益。2.根据权利要求1所述的光电倍增管信号读出芯片，其特征在于，所述光电倍增管信号读出芯片还包括电流旁路，所述电流旁路能够根据芯片输入端的电压检测结果接通和断开，在接通时用于旁路所述输入晶体管。3.根据权利要求1所述的光电倍增管信号读出芯片，其特征在于，芯片输出端为第二电流镜。4.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：严雄波，江晓山，魏微，胡俊，宁哲，樊磊，王仰夫，孙芸华，王铮，王佩良，
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：