半导体阵列微剂量探测器前端读出电路设计!.pdfVIP

No．12 第36卷第12期 核电子学与探测技术 V01．36 NuclearElectronicsDetection Dec． 2016 2016年12月 Technology 半导体阵列微剂量探测器前端读出电路设计 袁媛，刘书焕，龙彪，刘晓波，李浩伟，张国和，杜雪成，贺朝会 (西安交通大学，西安710049) SOI chrt018IC 摘要：根据三维Si PIN像素微剂量探测器特性参数，设计了一种基于GF CMOS工艺 的前端读出电路。该读出电路主要包括PMOS输入的电荷灵敏前前置放大器，有源整形滤波电路，电压 比较器及基准电流源等，可实现对微剂量信号的放大、滤波降噪、甄别输出等功能。仿真测试表明：能量 探测范围为5～500fC，单通道功耗约为2mw，总噪声性能为0．05fC+1．6×10一fC／pF。 关键词：微剂量探测器；电荷灵敏前放(CSA)；SOl；专用集成电路 中图分类号： TL81 文献标志码： A 文章编号：0258-0934(2016)12一1187-05 电离辐射微剂量精确测量在粒子束流检 的；本文根据探测器输出信号特征分布，基于 测、辐射防护及核医学领域都具有较广泛的应 CMOS工艺设计了与之匹配的低功耗、低噪声 用¨也J。用于粒子辐射场微剂量测量的半导体 及高集成的专用集成前端读出电路，研究结果 阵列辐射探i贝4器相对于传统的组织等效正比计 为微剂量阵列探测器前端读出电子学系统的研 制提供了重要技术基础。 数器(TEPC)具有空间分辨率好、响应快等优 点。在传统的平面型si阵列微剂量探测器研 1芯片设计 究的基础上，为进一步提高探测器空间分辨、电 荷收集效率和抗辐射性能，我们设计了基于 1．1总体设计 Si 单通道读出电路的整体框图如图1所示， DRIE工艺的3DPIN结构的阵列探测器。根 据测量的电性粒子辐射场性质、设计的探测器 包括电荷灵敏前放、极零相消电路、有源滤波 像素单元灵敏区工艺几何及探测器信号输出电 器、带阈值调节的电压甄别器、基准电流源及前 极联结方式的不同，模拟计算的阵列探测器输 放反馈环路的漏电流自动补偿结构。其中电荷 灵敏前放(CSA)与极零相消(P—z)首先将探 出信号范围为fC—pC；为利用该类型探测器测 测器输出的电荷信号转换成电压信号并同时加 量辐射场粒子在探测不同响应灵敏单元产生的 以放大、后接有源滤波电路(CR一(RC))以对 微剂量线能谱分布特征，设计与探测器输出信 电压信号进行滤波整形、再通过电压甄别器以 号特征相匹配的读出电子学系统是非常关键 及阈值可调节DAC来实现信号的触发，得到 Trigger信号。 收稿日期：2016—12—27 ?…o。蜓曼≥。：……一i黼鬲觋…… 基金项目：国家自然科学基金资助项目