CZT像素核辐射探测器读出电路的设计

潘银松，刘凤琳，杨帅举

（重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室，重庆 400030）

0 引言

自然资源的急剧消耗使得人类越来越重视一些高能量材料的利用，比如:核材料。核技术的发展为核材料的广泛应用奠定了基础。然而，核材料的应用为人类带来了利益的同时也给人类带来了核辐射的恐惧。对核辐射的探测关乎民心稳定和人身安全，意义重大。碲锌镉（cadmium zinc telluride，CZT）作为一种新型室温核辐射探测器材料，具有如下优点［1］:平均原子系数高（49．1），密度大，电阻率高（1011Ω·cm），禁带宽度大（1．4～2．26 eV），在常温下工作。因而，适用于γ射线成像、工业探测、安全检测、核反应堆材料检测和核医学等多种方面。

本文设计的读出电路电路能够处理能量范围为20～200 keV的γ射线。

1 读出电路的结构

本文设计的CZT像素核辐射探测器的读出电路由电荷敏感型前置运放、滤波电路和放大电路三部分组成，如图1。

图1 CZT像素核辐射探测器的读出电路结构示意图Fig 1 Architecture diagram of readout circuit of CZT pixel nuclear radiation detector

1．1 电荷敏感型

电荷敏感型前置运放采用的是PMOS双端输入、单端输出折叠共源共栅结构，如图2所示。折叠共源共栅具有较好的共模输入范围，提供自补偿，可以达到两级运放的增益［2，3］。相对于NMOS输入，PMOS 输入具有较小的热噪声。本文采用的PMOS输入折叠共源共栅的开环增益为80 dB，GBW 为 58 MHz。

图2 P管输入折叠共源共栅运放Fig 2 P-transistor input folded cascade amplifier

1．2 RC—CR 滤波电路

滤波电路采用Bessel滤波整形电路如图1所示。Bessel滤波电路由传统的无源RC—CR网络构成，结构简单。本文中，一阶低通滤波器和一阶高通滤波器组成的带通滤波器带宽为15．8 MHz。

1．3 放大级

滤波后的信号需要放大以便后续电路的处理。本文采用的运输放大器与电荷敏感型运算放大器一样，采用的是PMOS输入折叠共源共栅运算放大器。因为反相放大比同相放大产生的噪声小，故采用反相放大。考虑到RC—CR网络的驱动能力，第一级运放的放大倍数要小些，因此，设为3。第二级运放的放大倍数设为8，两级共放大24倍。

2 电荷敏感型前置运放的噪声分析

噪声会影响电路的精度和灵敏度，本文读出电路的主要噪声源包括:来自探测器的点噪声、输入MOSFET的热噪声和1/f噪声。其中，点噪声和热噪声都是白噪声，而1/f噪声不是白噪声。由于噪声在频域中都是随机现象，所以，噪声在时域中可以用随机数建模。点噪声和热噪声在频域中都是白噪声，时域建模的幅度就是 Gaussian分布［4～6］。作为白噪声源的随机数在SPECTRE仿真器中的时域噪声源是一系列片段线性噪声。随机数间的时间间隔由噪声宽度决定，随机数的个数由瞬态分析时间决定。1/f噪声不是白噪声，但在频域中，它是有限Lorentz方程之和，因此，1/f噪声的non-Gaussian分布可以用一系列低通滤波的白噪声之和来建模［7］。本文中，时域噪声源用随机数和噪声光谱密度建模，并进行了瞬态SPECTRE噪声仿真。仿真时间为3 μs，随机数系列的长度为 200。

1）点噪声:CZT 探测器的漏电流是 0．1 nA［7］，因此，点噪声的PSD计算如式（1）

其中，q为电子电量。由于前置运放的 GBW将近58 MHz，系统带宽 fB设为1 MHz。点噪声的功耗计算如式（2）

2）热噪声:高频时热噪声起主要作用，点噪声和1/f噪声的作用较弱。本文的读出电路工作频率大于1 MHz，因此，热噪声起主要作用。根据经验，如果热噪声起主要作用，那么，前置运放的输入电容CIN等于CD。PMOS输入管的W/L比为80μm/0．2μm，跨导gm为3．65mA/V。前置运放的输出热噪声功耗为1．002×10－9A。

3）1 /f噪声:1/f噪声的传输函数之和在极点分布领域是1/f的函数，它的PSD计算式如式（3）所示

对于 W=80μm，L=0．2μm，KF=2．5 ×10－25V2F，IDS=31．5 ×10－6A，COX=1．17 ×10－3F/m2，1/f噪声为 0．057 1/f（A2/Hz）。

3 读出电路的灵敏度分析

灵敏度是重要的参数之一，该读出电路的灵敏度即电荷敏感型前置运放的灵敏度。在给定的探测材料中，其值为mV/MeV。探测器释放的电荷是光能或离子能的函数，如式（4）所示

其中，E为每次射线的能量，MeV，e为电子电量（1．6×10－19），ε为探测器重产生电子—空穴对所需要的能量，4．64eV。由电容定义式与式（4）得式（5）

根据前置运放的增益，式（5）转换成单位为mV/keV的等式（6）

当反馈电容为115．2 fF时，计算得到的应用于CZT探测器的前置运放的灵敏度为0．3 mV/keV。

4 仿真结果

根据前面的噪声分析，进行噪声建模，并在SPECTRE仿真器中进行仿真，仿真后的噪声结果如图3所示。

本文模拟对20 keV γ射线的处理，仿真结果如图4所示，图4（a）是电荷敏感型前置运放的输出信号，大小为6．159 mV，近似等于由灵敏度公式计算得到的结果6 mV。图4（b）是经过RC—CR网络滤波后的信号，比较（a）和（b）可知，大多数噪声已被滤除。图4（c）是经过一次放大的信号，值为17．01 mV，大约放大了3倍，放大倍数接近理论值。图4（d）是经过二次放大后的信号，值为147，大约放大了8倍，接近理论值。经过滤波的信号被放大器放大后送到后续处理电路，后续处理电路工作的范围为0．05～1．55 V。

图3 点噪声、热噪声和1/f噪声仿真图Fig 3 Simulation curve of dot noise，temperature noise and 1/f noise

图4 读出电路仿真图Fig 4 Simulation curve of readout circuit

5 结论

本文设计的读出电路模拟前端包括电荷敏感型前置运放、整形滤波网络、放大级。前端电路采用了折叠共源共栅运算放大器和简单的无源RC—CR带通滤波器。电路的灵敏度为0．3 mV/keV，探测能量范围为20～200 keV，功耗为1 mW。本文中主要对读出电路进行了噪声分析、灵敏度分析，并在GPDK 0．18 μm CMOS工艺下进行了仿真。该电路可应用于CZT像素核辐射探测器。

［1］ 赵翠兰，蒲世节．基于碲锌锗探测器的能谱放大器［J］．核技术，2008，31（1）:78 －80．

［2］ Allen E，Douglas R．CMOS模拟集成电路设计［M］．冯 军，李智群，译．北京:电子工业出版社，2009．

［3］ Willy M C．Sansen．模拟集成电路设计精粹［M］．陈莹梅，译．北京:清华大学出版社，2007．

［4］ Lee Tae Hoon，Hong Seok Boong．8-channel CMOS low-noise fast readout circuits for CZT X-ray detectors［J］．Nuclear Science，2007，2（3）:821 －825．

［5］ Lee T H，Hong S B，Cho G，et al．An 8-channel CMOS low-noise fast readout IC for CZT X-ray detectors designed by time-domain hspice noise simulation［C］∥IEEE Nuclear Science Symposium，2005:111－115．

［6］ Paul S，Matthew W．HEXITEC ASIC-a pixellated readout chip for CZT detectors［J］．Nuclear Instruments and Methods in Physics Research，2009，604（1）:34 －37．

［7］ Lee T H，Cho G．Monte-Carlo-based time-domain Hspice noise simulation for ASC-CRRC circuit［J］．Nucl Instrum Methods，2006，505:328 －333．