碲鋅鎘探測(cè)器低噪聲讀出電路的設(shè)計(jì)

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1、碲鋅鎘探測(cè)器低噪聲讀出電路的設(shè)計(jì)　　摘要針對(duì)碲鋅鎘（CZT）探測(cè)器受電子學(xué)噪聲影響較大的問題，本文分析了碲鋅鎘探測(cè)器的電學(xué)模型以及信號(hào)采集電路的噪聲模型，采用低噪聲設(shè)計(jì)方法和整形技術(shù)，基于上華0.35um工藝設(shè)計(jì)了一款低噪聲讀出電路。通過仿真表明：當(dāng)探測(cè)器輸入電容為5pF，漏電流低于2nA時(shí)，電路的輸出基線保持在590mV，輸出等效噪聲電荷（ENC）小于132個(gè)電子；當(dāng)輸入電容為15pF時(shí)，電路增益可達(dá)到499mV/fC?！　　娟P(guān)鍵詞】碲鋅鎘探測(cè)器低噪聲讀出電路漏電流　　由于碲鋅鎘半導(dǎo)體材料具有在

2、室溫條件下電阻率高、溫度系數(shù)小、便于與前端電子學(xué)結(jié)合、較高的靈敏度等優(yōu)越特性，碲鋅鎘探測(cè)器在射線定位和醫(yī)學(xué)成像等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。針對(duì)PET電子成像系統(tǒng)中高分辨率、高集成度等要求，本文設(shè)計(jì)了一款基于碲鋅鎘半導(dǎo)體材料的低噪聲前端讀出電路?！　?探測(cè)器模型　　如圖1左圖所示：CZT探測(cè)器的工作示意圖，當(dāng)射線進(jìn)入碲鋅鎘探測(cè)器時(shí)，與CZT晶體相互作用，產(chǎn)生電子-空穴對(duì)；當(dāng)外加高偏壓-VC作用于陰極時(shí)，晶體中電離產(chǎn)生的電子―空穴對(duì)分別向兩極板漂移；從而探測(cè)器耗盡層區(qū)域內(nèi)的電荷在dt時(shí)間內(nèi)向收集電極移動(dòng)dx的

3、距離，則在收集電極上產(chǎn)生dQin的感應(yīng)電荷，該電荷被電荷靈敏放大器收集，故在陰極電極板上產(chǎn)生瞬時(shí)電流。故可以將CZT探測(cè)器等效成圖1中右圖所示的電學(xué)模型，探測(cè)器的極板電容以及連線分布電容等效成輸入電容cin；探測(cè)器極板上產(chǎn)生的電流脈沖　　iin；id漏電流?！　?噪聲分析　　等效噪聲電荷（ENC）是衡量讀出電路的重要指標(biāo)，其表達(dá)式：　　ENC=（Vnoise/Acsa）*（104/1.6）　　由式（1）知：減小電路輸出噪聲可獲得較理想的ENC。其中，電路輸出噪聲包括電路本身的噪聲和漏電流對(duì)電路的噪

4、聲貢獻(xiàn)?！　?.1漏電流補(bǔ)償電路　　如圖2漏電流經(jīng)過反饋電阻Rf影響電路噪聲和輸出基線的穩(wěn)定。文獻(xiàn)[2]采用了電阻結(jié)構(gòu)，但沒有對(duì)漏電流進(jìn)行處理，噪聲較大；文獻(xiàn)[3]采用工作在飽和區(qū)的MOS管作反饋電阻，但是這種有源電阻的阻值有限，對(duì)噪聲貢獻(xiàn)依然較大；文獻(xiàn)[4]中采用了交流耦合的隔離方式，避免了漏電流對(duì)成形電路輸出基線的影響，但是不能減小漏電流的噪聲貢獻(xiàn)；本文采用了漏電流補(bǔ)償電路與自偏置虛電阻的并聯(lián)結(jié)構(gòu)，如圖2所示：工作在亞閾值區(qū)的Mc1和Mc2實(shí)現(xiàn)漏電流補(bǔ)償，Ic為2nA的補(bǔ)償電流；Mra和Mrb

5、串聯(lián)組成反饋電阻Rf，其阻值可達(dá)到GΩ量級(jí)，該阻值可避免連續(xù)兩個(gè)周期的電荷疊加。　　2.2電荷靈敏放大器低噪聲實(shí)現(xiàn)　　由（1）式可知，增大電路的增益也可以減小輸出等效噪聲電荷；為此，本文的電荷靈敏放大器采用折疊式共源共柵結(jié)構(gòu)如圖3所示；M1、M2、M3、M4、M5組成單端折疊式放大器，其噪聲是差分結(jié)構(gòu)的一半。電路的噪聲主要來源于MOS管的白噪聲和1/f噪聲。圖3電路噪聲模型如下：　　由（2）式可知，通過適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)使得i2≈i1，i3/i1<<1；從而實(shí)現(xiàn)M2和M3管的等效電阻gds1與gds2<<

6、gm1；故（2）式中的第二項(xiàng)可忽略。通過M1管的源級(jí)和襯底連接來增加M1管的gm；減小M2和M5的gm，進(jìn)一步減小式中的第三和第四項(xiàng)。然而為了避免M1源級(jí)負(fù)反饋電阻減小電路增益的情況，本文采用M6管二極管連接作為電流阱，流過M6的電流iM6=iM1+iM7，使得rM6<

7、通過減小Cf，使得cf<

8、噪聲電荷與漏電流的關(guān)系曲線，漏電流為2nA時(shí)，輸出等效噪聲為123個(gè)電子；在2nA以內(nèi)，探測(cè)器漏電流越接近補(bǔ)償電流，ENC越小。顯然，本文采用的設(shè)計(jì)方法可以降低CZT探測(cè)器的電子學(xué)噪聲?！　D6是在輸入為1fC電荷時(shí)，不同輸入電容條件下的輸出波形，當(dāng)輸入電容越大，增益越小，達(dá)峰時(shí)間越大；而電路的噪聲不變，故輸入電容越大，ENC越大。　　4結(jié)論　　本文通過漏電流補(bǔ)償電路、MOS虛電阻以及電路低噪聲設(shè)計(jì)、整形處理；在室溫條件下，輸入電容為5pF時(shí)，等效噪聲電荷低于132e；漏電流在0n