SiC中子探测器的高速前端读出电路设计.pdf
《SiC中子探测器的高速前端读出电路设计.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《SiC中子探测器的高速前端读出电路设计.pdf(5页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、 2023 年第 9 期147信息技术与信息化电子与通信技术SiC 中子探测器的高速前端读出电路设计魏艳茹1 刘云涛1 方 硕1 陈铮镕1 王 颖2WEI Yanru LIU Yuntao FANG Shuo CHEN Zhengrong WANG Ying 摘要 基于平面型 SiC 中子探测器应用要求,设计了一种 5 通道高速模拟前端读出电路,并对其性能进行仿真和测试。单个读出通道包括前置放大模块、极零相消电路、滤波整形模块和采样保持电路。针对滤波整形器对电路读出速度的影响,通过改变 CR-(RC)n滤波成形器的阶数 n 与成形时间的大小,在满足电路其它设计指标的条件下,优化电路读出速度。电
2、路采用 180 nm CMOS 工艺设计,整体版图的尺寸为1423 m1013 m。仿真结果表明,单个通道的非线性度小于 3%,最小输入等效噪声为 66.1e-,单通道增益为 16.7 mV/fC,成形时间为 25 ns。读出芯片的整体功能满足平面型 SiC 中子探测器的应用要求。关键词 SiC 中子探测器;前端读出电路;前置放大器;滤波整形器;高速 doi:10.3969/j.issn.1672-9528.2023.09.0321.哈尔滨工程大学信息与通信工程学院 黑龙江哈尔滨 1500012.大连海事大学信息科学技术学院 辽宁大连 1160260 引言作为第三代半导体材料,碳化硅(SiC)
3、相比于传统半导体材料,具有禁带宽度大、击穿电场强、热导率高等优良特性,能够适应高温、强辐射的工作环境,基于 SiC 材料的中子探测器成为研究的热点1-2。文献 3 中 SiC 探测器先后被强 射线和近堆芯辐照各 2 h 后,其光谱响应仍然稳定,工作状态良好,表明 SiC 探测器具有良好的抗辐射特性。文献 4 研究了 SiC 探测器的抗高温性能,实验表明在 500 时 SiC 探测器产生不稳定的信号,更换新的金属接触层后可获得稳定的信号。由于 SiC 探测器具有抗辐射耐高温的优良性能,可用于空间及核反应堆的中子检测。SiC 中子探测器一般工作在高温、强辐射的环境里,其输出信号为微弱的电流脉冲信号
4、,并且携带着噪声和干扰,不能直接进行信号的采集与处理,需要设计相应的前端读出电路对其进行放大和整形。文献 5-6 中均提及了采用分立器件设计的 SiC 中子探测器前端读出电路,然而分立器件由于工艺不同以及采用 PCB 板间布线等,极易产生失配,集成度高,能够有效提升 SiC 中子探测器的检测精度,促进其实际应用。然而由于目前 SiC 半导体中子探测器的研究处于起步阶段,国内外针对其需求的前端读出专用芯片的研究不多。针对当前分立器件搭建的读出电路灵敏度与精度低且不易集成以及平面型 SiC 中子探测器输出脉冲信号时间响应快两方面因素,本文设计了一种 5 通道高速模拟前端读出电路。为了实现该电路的高
5、速读出,本文首先对电路各个模块对读出速度的影响进行分析,并对影响读出速度最大的电路进行优化,通过设计滤波整形器的结构与控制方法,调整 CR-(RC)n滤波成形器的阶数 n 与成形时间,在满足其它电路性能的条件下,显著提升电路读出速度。为实现平面型 SiC 中子探测器信号的高速准确读出提供了保障。1 读出电路原理为了设计平面型 SiC 中子探测器模拟前端快速读出电路,首先要知道平面型 SiC 中子探测器输出信号的特点,这里先对平面型 SiC 中子探测器的原理进行简要分析。1.1 平面型 SiC 中子探测器原理4H-SiC 肖特基平面型中子探测器示意图如图 1 所示,在进行中子探测时,中子在探测器
6、的转化层中与原子核发生强相互作用产生 粒子和3H 粒子,粒子在探测器的灵敏层内使灵敏层材料产生与粒子能量成正比的电子空穴对,电子空穴对在外加电场作用下移动,形成脉冲电流7-10。图 1 4H-SiC 肖特基型中子探测器示意图基于以上原理的平面型 SiC 中子探测器输出信号为几十2023 年第 9 期148信息技术与信息化电子与通信技术到几百 fC 电荷量的电流脉冲信号,脉冲宽度仅为几个 ns11-12。对比其它类型半导体探测器,平面型 SiC 中子探测器输出电流脉冲信号时间响应快,因此,其读出电路的读出速度有望设计得更高。1.2 模拟前端读出电路基本原理本文基于传统前端读出电路结构,针对平面型
7、 SiC 中子探测器读出电路的设计要求,设计了如图 2 所示的模拟前端能量读出电路结构13-15,单通道包括前置放大器、极零相消电路、滤波整形器,采样保持电路。C1RPZCRfCfCSAPZCCR-(RC)nShaperBufferOutputInputLCCPDH 图 2 SiC 中子探测器模拟前端能量读出电路结构本研究在电路设计时选择了噪声性能较好的电荷灵敏放大器(charge sensitive amplifi er,CSA),将电流脉冲信号转化为电压信号。在集成度高的读出芯片中一般采用 DC耦合方式与探测器相连,采用漏电流补偿电路(leakage cur-rent compensati
8、on,LCC)对探测器输出的漏电流进行补偿可提高检测精度。本文采用 CR-(RC)n滤波整形电路对前置放大器的输出信号进行整形和再放大,消除信号拖尾,滤除严重变形的信号,输出具有统一成形时间的电压信号。由于前置放大器的时间常数与滤波整形电路的成形时间不匹配,会使输出信号产生下冲,因此采用极零相消电路(pole-zero cancellation,PZC)通过产生新零点消除 CSA 的极点的方法来消除下冲。读出电路的输出信号一般要进行模数转换,本文采用峰值采样保持电路(Peak Detect and Hold,PDH)对信号的峰值进行检测、保持、展宽,易于将能量信息保存起来。1.3 读出速度影响
9、因素分析为了提高电路的读出速度,本文从传输函数的角度研究了各个模块对读出速度的影响。前置放大器中 LCC 电路可等效为一个电阻 RLCC,且其值远大于 CSA 反馈电容的泄放电阻值 Rf,这样,LCC 电路对泄放时间的影响可以忽略不计。前置放大器的转换函数为:(1)式中:Cf为反馈电容;Rf为反馈电阻,即反馈电容的泄放电阻。CR-(RC)n滤波成形器由一个高通电路和 n 个低通电路组成,PZC 电路是由一个电阻 RPZC并联在用 CR-(RC)n滤波成形器的高通电容 C1两端。C1R1表示高通时间常数,C2R2表示低通时间常数,PZC 电路和 CR-(RC)n滤波成形器传输函数为:()()12
10、2111111nPZCnPZCsC RHSsR CsCRR+=+(2)令 C1Rpzc=RfCf,C1R1=C2R2=RC,Rpzc的值远大于 R1,从前端读出电路到 CR-(RC)n滤波成形器输出,传输函数为:(3)由电路传输函数可看出,前置放大器的时间常数被极零相消电路抵消了,不会影响电路的读出速度,因此,其对整体电路读出速度的影响主要体现在核心放大器的性能好坏上。另外,采样保持电路对电路读出速度的影响也主要体现在其电路性能的限制上,而 CR-(RC)n滤波成形器的成形时间则直接决定了电路的读出速度。为了能够更好地理解 CR-(RC)n滤波成形器对信号读出时间的影响,假设 CSA 的时间常
11、数为无穷大,那么其输出信号近似为阶跃信号,经过 CR-(RC)n滤波成形器后,输出信号的时域表达式为:(4)式中:=RC,将式(4)对时间进行求导,可得,输出信号在 t=n 时达到峰值,因此,CR-(RC)n滤波成形器的成形时间为 n,成形时间与 CR-(RC)n滤波成形器的低通滤波器阶数有关,n 越大,成形时间越长。本文模拟了具有相同成形时间的不同阶数 CR-(RC)n滤波成形器的输出信号时域图,如图 3 所示。可以看出,当 CR-(RC)n滤波成形器的低通电路阶数 n 越大,输出脉冲信号宽度越宽,成形时间也呈 n 倍线性增长,与计算结果相似,因此,阶数越小,成形时间越短,读出越快,本文选择
12、一阶 CR-RC滤波器作为成形器。图 3 CR-(RC)n滤波成形器输出波形图 2023 年第 9 期149信息技术与信息化电子与通信技术2 快速读出关键电路实现2.1 前置放大器前置放大器由 CSA 和 LCC 电路构成,如图 4 所示。由于漏电流补偿电路 CSA 的低频增益仅与反馈电容有关,Cf越小,增益越大,但 CSA 的反馈深度也会因此减小,导致电路不稳定,综合考虑,本文反馈电容的值为 200 fC。本文设计了自适应的有源反馈网络对漏电流进行补偿,由于补偿电流为 nA 级别,为了提高补偿精度,本文采用共源共栅电流镜对其进行偏置。当有漏电流时,M1 和 M2 管的电流变化,使 M4 的源
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- SiC 中子 探测器 高速 前端 读出 电路设计
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。