低功耗硅探测器前端读出电路设计与性能分析

论文摘要

在高能物理以及医学成像等辐射探测应用中,粒子探测器被广泛使用。为了提高位置分辨率,各种新型探测器的单元尺寸不断减小,比如微型气体探测器、硅微条探测器以及光电二极管阵列等。这些探测器的单元特质尺寸同时也能降低电子学噪声,提高计数率,而这些好处只有通过前端电路单个读出才能完成实现。因此,有必要增加前端电子学的信道数目。同时,硅探测器作为一种常用的粒子探测器,具有结构简单、位置分辨率好、兼容性强等特点。如果采用常规的读出电子学系统,无论从集成度、功耗方面还是造价方面都不能满足设计要求,必须采用ASIC才能实现高密度的信号读出。本文围绕硅探测器读出ASIC芯片的设计进行了相关理论和技术的研究。针对硅探测器实际的输出信号的特点,本文用相应的探测器接线图的等效电路模型来模拟实际的电荷输出信号经过前端读出电路的信号变化。同时,通过分析不同带隙基准源、前置放大器的特点、各种滤波成形电路的特点以及电压比较器的特点,作者设计了包含带隙基准、电荷灵敏前置放大器、准高斯成形电路、电压比较器在内的读出ASIC芯片。根据电路的功耗,输入电荷灵敏度、电荷增益、噪声等性能指标,作者首选确定了第一级前置放大器的基本结构,在合适的运算放大器的基础上选择泄放电阻R f和泄放电容C f,同时根据对成形时间常数的要求,来设计滤波成形电路。针对滤波成形电路输出波形的特点,设计了相应的迟滞比较电路。为了给这些模块提供合适的偏置电压和偏置电流,再折衷考虑功耗等指标,选择了简单的带隙基准源结构。最后将各个部分连成一个整体进行总体电路的仿真,仿真结果表明:该读出电路的设计基本实现了设计指标的要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 探测器种类的介绍
• 1.1.2 硅半导体探测器
• 1.1.3 前端放大电路的作用
• 1.2 国内外探测器的研究现状与发展趋势
• 1.3 论文结构
• 第二章 前端读出电路的概述
• 2.1 电路结构和工作原理
• 2.1.1 模拟模块
• 2.1.2 数字控制模块
• 2.2 电路的主要特点
• 2.3 电路的主要性能指标
• 2.3.1 极限参数
• 2.3.2 推荐工作条件
• 2.3.3 主要性能参数
• 2.4 本章小结
• 第三章 硅探测器前端读出电路设计分析
• 3.1 基准源
• 3.1.1 性能参数
• 3.1.2 基本原理
• 3.1.3 常用的结构
• 3.2 前置放大器
• 3.2.1 电荷灵敏前置放大器
• 3.2.2 性能指标
• 3.2.3 噪声分析
• 3.3 滤波成形电路
• 3.3.1 滤波成形电路的作用
• 3.3.2 最佳滤波器的讨论
• 3.3.3 有源滤波器成形电路
• 3.4 电压比较器
• 3.4.1 性能参数
• 3.4.2 迟滞电压比较器
• 3.5 本章小结
• 第四章 低功耗硅探测器前端读出电路设计
• 4.1 电荷灵敏放大器的设计
• 4.2 滤波成形器的设计仿真
• 4.3 比较器电路的设计仿真
• 4.4 带隙电压基准的设计
• 4.5 整体电路的仿真
• 4.6 本章小结
• 第五章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 研究成果