用于电磁辐射传感器的前端电子电路制造技术

本发明专利技术涉及一种用于电磁辐射传感器的前端电子电路

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于电磁辐射传感器的前端电子电路


[0001]本公开涉及一种用于电磁辐射传感器应用
、
特别是
X
射线成像应用或光子计数应用
(
例如多能谱
CT(
计算机断层扫描，
Computed Tomography))
的前端电子电路
。
本公开还涉及一种用于电磁辐射的传感器装置，例如，使用前端电子电路的被实施为光子计数传感器装置的传感器装置
。

技术介绍

[0002]经典
CT
机和
X
射线成像产品使用间接转换传感器
。
间接转换传感器包括闪烁体，用于将
X
射线转换为可见光，可见光由光电探测器或光电二极管捕获，以响应于撞击在闪烁体材料上的
X
射线而提供电信号
。
[0003]与使用间接探测原理的传统计算机断层扫描不同，光子计数计算机断层扫描采用直接转换传感器
。
直接转换材料现已达到一定程度的成熟并变得流行，这使得将
CT
系统的焦点转移到光子计数方法上
。
与传统方法相比，光子计数医学成像具有许多优点，例如更好的分辨率和
/
或更低的剂量以及光谱信息
。
[0004]与传统成像系统相比，光子计数成像系统需要在前端采用完全不同的方法
。
这是因为需要对输入信号
(
电流
)
进行高速
、
异步连续定时处理
。
特别是，光子计数方法需要前端电路，该前端电路接收电流输入，并且在输出处提供经过整形的电压，从而便于鉴别器的进一步处理
。
[0005]由于输入电荷脉冲的随机性，需要异步连续时间前端电路，以便在输出处将输入电荷脉冲转换为电压脉冲
。
前端拓扑通常是单级或两级方法
。
对于小且固定的输入电容，可以采用单级结构，该单极结构包含整形电荷敏感放大器，后面是鉴别器和计数器
。
对于大且变化的输入电容，可以使用两级结构方法
。
[0006]图1示出了光子计数电路，其包括具有两级拓扑的前端电子电路
10、
光子探测器
20、
能量鉴别器
30
和计数器
。
当入射光子撞击光子探测器
20
的直接转换材料
(
例如
CdTe/CZT)
时，在光子探测器
20
的输出处生成瞬态电流信号
Iin。
该电流与入射光子的能量成比例
。
电流
Iin
随后由前端电子电路
10
处理，前端电子电路
10
包括通过耦合网络
400
耦合的电荷敏感放大器级
100
和信号整形器级
200。
[0007]电荷敏感放大器级
100
包括运算跨导放大器
110、
反馈电容器
130
和反馈电阻器
140。
信号整形器级
200
包括运算跨导放大器
210、
反馈电容器
230
和反馈电阻器
240。
通常，反馈电阻器
140
和
240
由偏置在线性区域中的相应的
MOS(Metal
‑
Oxide
‑
Semiconductor
，金属氧化物半导体
)
晶体管来实现
。
电荷敏感放大器级
100
和信号整形器级
200
的输出的基线由连接到运算跨导放大器
110
和
210
的相应
(
正
)
输入端子的参考电压
Vref
来定义，该运算跨导放大器
110
和
210
被配置为差分输入运算跨导放大器和单端输出运算跨导放大器
。
[0008]前端电子电路
10
将在信号整形器级
200
的输出处提供整形电压
Vout_shaper
，该整形电压与输入电流
Iin
成比例并且因此与每个单个入射光子的能量成比例
。
然后，整形器输出电压
Vout_shaper
由多个鉴别器电路
30a、
…
、30n
和计数器电路
40a、
…
、40n
进一步处理
。
计数的数量与入射光子的数量成比例
。
具有多个鉴别器电路
30a、
…
、30n
和计数器电路
40a、
…
、40n
将给出关于每个入射光子的能级的信息
。
计数器输出可以由
DSP(Digital
‑
Signal
‑
Processor
，数字信号处理器
)
进行处理，图1中未示出
。
[0009]对于医学成像应用而言，光子计数前端电路具有以下重要规格，其中包括：低功耗和低噪声
、
小硅面积
、
与整形输出的
FWHM(Full
‑
Width
‑
Half
‑
Maximum
半峰全宽
)
相关的高计数率
、
高线性度和低弹道缺陷
。
[0010]尽管如图1所示，前端电子电路的两级拓扑将信号整形器级
200
与前端电子电路
10
的输入处的输入电容解耦，但由于电荷敏感放大器
100
充当缓冲器，两级前端电路伴随着更高的噪声和功率损失
。
当在噪声和
FHWM
方面需要良好表现时，前端电子电路必须消耗大的功率，从而产生过多的热效应，其对系统的性能稳定性产生负面影响
。

技术实现思路

[0011]有必要提供一种用于电磁辐射传感器应用的前端电子电路，其能够以非常高的计数率运行并且具有低功耗而不影响其他规格
、
例如噪声和速度
。
此外，需要提供一种可以以高分辨率和低功耗运行的用于电磁辐射的传感器装置
。
[0012]在权利要求1中说明了一种用于电磁辐射传感器应用的前端电子电路，其在功耗
、
噪声和计数率方面提供了显著的性能改进
。
[0013]用于电磁辐射传感器应用的前端电子电路包括：输入本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.
一种用于电磁辐射传感器应用的前端电子电路，包括：
‑
输入节点
(I10)
，所述输入节点被配置为耦合到对电磁辐射敏感的传感器以接收来自所述传感器的输入信号
(Iin)
，
‑
输出节点
(O10)
，用于提供输出信号
(Vout_shaper)
，
‑
电荷敏感放大器级
(100)
，包括第一单输入运算跨导放大器
(110)
和晶体管
(120)
，所述第一单输入运算跨导放大器具有耦合到所述输入节点
(I10)
的输入侧并且具有用于提供电荷敏感放大器输出信号
(Vout_csa)
的输出侧，所述晶体管布置在所述第一单输入运算跨导放大器
(110)
的输入侧和输出侧之间的第一反馈路径
(101)
中，
‑
信号整形器级
(200)
，包括第二单输入运算跨导放大器
(210)
和有源反馈电路
(201)
，所述第二单输入运算跨导放大器具有耦合到所述第一单输入运算跨导放大器
(110)
的输出侧的输入侧并且具有耦合到所述输出节点
(O10)
的输出侧，所述有源反馈电路布置在所述第二单输入运算跨导放大器
(210)
的输入侧和输出侧之间的第二反馈路径
(201)
中，
‑
控制电路
(300)
，包括第二晶体管
(310)
，其中，所述控制电路
(300)
被配置为用于提供控制信号
(Vbias)
以根据所述第二晶体管
(310)
的栅
‑
源电压来控制所述晶体管
(120)。2.
根据权利要求1所述的前端电子电路，其中，所述输入节点
(I10)
被配置为耦合到传感器，所述传感器被实施为光子计数应用的光子探测器
。3.
根据权利要求1或2所述的前端电子电路，
‑
其中，所述电荷敏感放大器级
(100)
包括电容器
(130)
，所述电容器并联于所述晶体管
(120)
地布置在所述第一单输入运算跨导放大器
(110)
的输入侧和输出侧之间
。
‑
其中，所述信号整形器级
(200)
包括第二电容器
(230)
，所述第二电容器并联于所述有源反馈电路
(220)
地布置在所述第二单输入运算跨导放大器
(210)
的输入侧和输出侧之间
。4.
根据权利要求3所述的前端电子电路，包括：
‑
耦合网络
(400)
，所述耦合网络布置在所述第一单输入运算跨导放大器
(110)
的输出侧和所述第二单输入运算跨导放大器
(210)
的输入侧之间，
‑
其中，所述耦合网络
(400)
包括第三晶体管
(410)
和第三电容器
(420)
的并联连接，
‑
其中，所述控制电路
(300)
被配置为提供控制信号
(Vbias)
以根据所述第二晶体管
(310)
的栅
‑
源电压控制所述第三晶体管
(410)。5.
根据权利要求1至4中任一项所述的前端电子电路，
‑
其中，所述第一单输入运算跨导放大器
(110)
具有耦合到所述输入节点
(I10)
的单输入连接
(I110)
，并且具有输入晶体管
(111)
和第一电流源
(112)
，所述输入晶体管具有耦合到所述单输入连接
(I110)
的控制节点，用于接收取决于所述输入信号
(Iin)
的第一输入控制信号
(Iin_csa)
以控制所述输入晶体管
(111)
，所述第一电流源与所述输入晶体管
(111)
串联布置，
‑
其中，所述第二单输入运算跨导放大器
(210)
具有耦合到所述第一单输入运算跨导放大器
(110)
的输出侧的单输入连接
(I210)
，并且具有第二输入晶体管
(211)
和第二电流源
(212)
，所述第二输入晶体管具有耦合到所述单输入连接
(I210)
的控制节点，用于接收取决于所述第一单输入运算跨导放大器
(110)
的输出信号
(Vout_csa)
的第二输入控制信号
(Iin_shaper)
以控制所述第二输入晶体管
(211)
，所述第二电流源与所述第二输入晶体管
(211)
串联布置
。6.
根据权利要求5所述的前端电子电路，其中，所述第二晶体管
(310)
被配置为所述第一单输入运算跨导放大器的输入晶体管
(111)
的复制品
。7.
根据权利要求6所述的前端电子电路，
‑
其中，所述控制电路
(300)
包括第一电流路径
(301)
和布置在所述第一电流路径
(301)
中的第三电流源
(320)
，
‑
...

【专利技术属性】
技术研发人员：C，
申请(专利权)人：ams，
类型：发明
国别省市：