碲锌镉探测器低噪声读出电路的设计

吴昊+秦水介

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<

2.3 探测器输入电容Cin对电路噪声影响

由于探测器输入寄生电容cin的存在，降低了电荷灵敏放大器的增益，从而提高了输出等效噪声电荷。可分析为：

其中w0、k0分別为电荷灵敏放大器的开环带宽；由（3）式可知，可以通过减小Cf，使得cf<

3 仿真结果与分析

基于上华0.35um工艺，采用spectre仿真器进行电路仿真验证。由图4知，室温条件下，漏电流在2nA以内变化时，基线保持不变，全工艺角条件下的基线偏差在30nV以内，故漏电流补偿电路可有效消除漏电流对电路输出基线的影响。

如图5输出等效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0nA到2nA变化过程中，电路的输出基线保持在590mV，各工艺角偏差小于30nV，可满足后续信号处理的要求。

参考文献

[1]张秋实，卢闫晔，谢肇恒，杨昆，任秋实.用于医学成像的碲锌镉单极型探测器研究进展[J].半导体光电，2013（02）：171-179.

[2]low noise readout front-end for gaseous detectors in 130nm CMOS technology[C].Circuits & Systems，IEEE，2015.

[3]罗杰，邓智，刘以农，王光祺，李红日.像素碲锌镉探测器低噪声读出芯片设计与测试[J].清华大学学报（自然科学版），2012，07：917-921.Hernandez H，Van Noije W，Munhoz M.Configurable.

[4]Gan B，Wei T，Gao W，et al.Design of a Multi-Channel Low-Noise Readout ASIC for CdZnTe-Based X-Ray and，-Ray Spectrum Analyzer[J].IEEE Transactions on Nuclear Science，2015，62（05）：1-1.