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时间:2018-10-22
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1、碲锌镉探测器低噪声读出电路的设计 摘要针对碲锌镉(CZT)探测器受电子学噪声影响较大的问题,本文分析了碲锌镉探测器的电学模型以及信号采集电路的噪声模型,采用低噪声设计方法和整形技术,基于上华0.35um工艺设计了一款低噪声读出电路。通过仿真表明:当探测器输入电容为5pF,漏电流低于2nA时,电路的输出基线保持在590mV,输出等效噪声电荷(ENC)小于132个电子;当输入电容为15pF时,电路增益可达到499mV/fC。 【关键词】碲锌镉探测器低噪声读出电路漏电流 由于碲锌镉半导体材料具有在
2、室温条件下电阻率高、温度系数小、便于与前端电子学结合、较高的灵敏度等优越特性,碲锌镉探测器在射线定位和医学成像等领域得到广泛应用。针对PET电子成像系统中高分辨率、高集成度等要求,本文设计了一款基于碲锌镉半导体材料的低噪声前端读出电路。 1探测器模型 如图1左图所示:CZT探测器的工作示意图,当射线进入碲锌镉探测器时,与CZT晶体相互作用,产生电子-空穴对;当外加高偏压-VC作用于阴极时,晶体中电离产生的电子―空穴对分别向两极板漂移;从而探测器耗尽层区域内的电荷在dt时间内向收集电极移动dx的
3、距离,则在收集电极上产生dQin的感应电荷,该电荷被电荷灵敏放大器收集,故在阴极电极板上产生瞬时电流。故可以将CZT探测器等效成图1中右图所示的电学模型,探测器的极板电容以及连线分布电容等效成输入电容cin;探测器极板上产生的电流脉冲 iin;id漏电流。 2噪声分析 等效噪声电荷(ENC)是衡量读出电路的重要指标,其表达式: ENC=(Vnoise/Acsa)*(104/1.6) 由式(1)知:减小电路输出噪声可获得较理想的ENC。其中,电路输出噪声包括电路本身的噪声和漏电流对电路的噪
4、声贡献。 2.1漏电流补偿电路 如图2漏电流经过反馈电阻Rf影响电路噪声和输出基线的稳定。文献[2]采用了电阻结构,但没有对漏电流进行处理,噪声较大;文献[3]采用工作在饱和区的MOS管作反馈电阻,但是这种有源电阻的阻值有限,对噪声贡献依然较大;文献[4]中采用了交流耦合的隔离方式,避免了漏电流对成形电路输出基线的影响,但是不能减小漏电流的噪声贡献;本文采用了漏电流补偿电路与自偏置虚电阻的并联结构,如图2所示:工作在亚阈值区的Mc1和Mc2实现漏电流补偿,Ic为2nA的补偿电流;Mra和Mrb
5、串联组成反馈电阻Rf,其阻值可达到GΩ量级,该阻值可避免连续两个周期的电荷叠加。 2.2电荷灵敏放大器低噪声实现 由(1)式可知,增大电路的增益也可以减小输出等效噪声电荷;为此,本文的电荷灵敏放大器采用折叠式共源共栅结构如图3所示;M1、M2、M3、M4、M5组成单端折叠式放大器,其噪声是差分结构的一半。电路的噪声主要来源于MOS管的白噪声和1/f噪声。图3电路噪声模型如下: 由(2)式可知,通过适当的设计使得i2≈i1,i3/i1<<1;从而实现M2和M3管的等效电阻gds1与gds2<<
6、gm1;故(2)式中的第二项可忽略。通过M1管的源级和衬底连接来增加M1管的gm;减小M2和M5的gm,进一步减小式中的第三和第四项。然而为了避免M1源级负反馈电阻减小电路增益的情况,本文采用M6管二极管连接作为电流阱,流过M6的电流iM6=iM1+iM7,使得rM6<7、通过减小Cf,使得cf<8、噪声电荷与漏电流的关系曲线,漏电流为2nA时,输出等效噪声为123个电子;在2nA以内,探测器漏电流越接近补偿电流,ENC越小。显然,本文采用的设计方法可以降低CZT探测器的电子学噪声。 图6是在输入为1fC电荷时,不同输入电容条件下的输出波形,当输入电容越大,增益越小,达峰时间越大;而电路的噪声不变,故输入电容越大,ENC越大。 4结论 本文通过漏电流补偿电路、MOS虚电阻以及电路低噪声设计、整形处理;在室温条件下,输入电容为5pF时,等效噪声电荷低于132e;漏电流在0n
7、通过减小Cf,使得cf<8、噪声电荷与漏电流的关系曲线,漏电流为2nA时,输出等效噪声为123个电子;在2nA以内,探测器漏电流越接近补偿电流,ENC越小。显然,本文采用的设计方法可以降低CZT探测器的电子学噪声。 图6是在输入为1fC电荷时,不同输入电容条件下的输出波形,当输入电容越大,增益越小,达峰时间越大;而电路的噪声不变,故输入电容越大,ENC越大。 4结论 本文通过漏电流补偿电路、MOS虚电阻以及电路低噪声设计、整形处理;在室温条件下,输入电容为5pF时,等效噪声电荷低于132e;漏电流在0n
8、噪声电荷与漏电流的关系曲线,漏电流为2nA时,输出等效噪声为123个电子;在2nA以内,探测器漏电流越接近补偿电流,ENC越小。显然,本文采用的设计方法可以降低CZT探测器的电子学噪声。 图6是在输入为1fC电荷时,不同输入电容条件下的输出波形,当输入电容越大,增益越小,达峰时间越大;而电路的噪声不变,故输入电容越大,ENC越大。 4结论 本文通过漏电流补偿电路、MOS虚电阻以及电路低噪声设计、整形处理;在室温条件下,输入电容为5pF时,等效噪声电荷低于132e;漏电流在0n
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