开关复位型前放芯片CPRE_SW2的噪声及抗辐射性能测试*

暴子瑜，王 科, 李 鲜, 曹学蕾

(1.中国科学院高能物理研究所 粒子天体物理重点实验室，北京 100049;2.中国科学院高能物理研究所 粒子天体物理研究中心，北京 100049；3.中国科学院高能物理研究所 核探测与核电子学国家重点实验室，北京 100049)

半导体探测器是以半导体材料为探测介质的辐射探测器，有噪声低、线性好、计数率高等特点，在高能天体物理、工业、核医学、军事等领域应用越来越广泛[1].在实际测量中，为了减小探测器输出端到主设备间的分布电容影响，提高信噪比，通常将前置放大器放置在探测器附近，对探测器信号进行预处理，这对前放的能量分辨和噪声水平提出了很高的要求.目前SDD(silicon drift detector)、Si-PIN、CdTe等探测器可在低温条件下工作，大大降低漏电流及噪声，从而可以使用开关复位型前置放大器.开关型前放与传统前放相比可以大大减小反馈电阻的噪声贡献及信号堆积现象.

一般由分立元件搭建的电路集成度低，功耗大，国内外有多家单位已经进行了开关复位型前放芯片的设计尝试[2-3].高能所自主研制的前放芯片CPRE_SW2也是其中一种，其具有低噪声大动态范围的特性，噪声仿真值5.5e+6e/pF(滤波后)，是专为低噪声、低漏电探测器优化设计的一款电荷灵敏前置放大器芯片.芯片原理简图如图1所示，与传统前放芯片相比，CPRE_SW2采用开关放电方式，并且可以通过改变外接偏置电路的连接方式在阻容反馈及电平反馈模式下工作，以满足不同使用情况下对信噪比、能量分辨及动态范围的要求[4].下述此芯片的三种不同工作模式.

1 CPRE_SW2的放电模式

1.1 开关放电模式

开关型电荷灵敏前放与传统电荷灵敏前放的区别在于开关前放的反馈回路中只有积分电容，而提供直流反馈和释放电荷的反馈电阻被一个由比较器控制的开关所取代.开关断开时，其等效为一个无穷大的电阻，电路完成电荷的积分过程，待前放输出超出线性动态范围时，开关闭合，此时开关又等效为阻值很小的电阻，于是前放又以很小的时间常数完成积分电容上累积电荷的释放.

在开关模式下可以消除回路中反馈电阻的噪声影响，并且可以减少前放输出在上升过程中部分电荷被反馈电阻释放而造成的弹道亏损，但此模式操作及电路设计相对麻烦，需在外部设置电路给出复位信号.

1.2 电阻连续放电模式

电阻连续放电方式是通过反馈电容将电流积分，再在Vout与Vin之间接一大阻值反馈电阻，泄放电荷防止电容饱和，即变成了常用的阻容反馈型前放(连续复位).本电路中保持开关RESET_IN断开，芯片设置了一个测试端口，内部连接了一个5 fF的刻度电容，测试时可以使用稳压源注入不同幅度的脉冲信号模拟信号源.

这种电路操作方便，但反馈电阻会引入一定的电阻热噪声，增大反馈电阻阻值可以减少这部分热噪声的影响，但同时也会增大前放输出信号的衰减时间常数.

1.3 电平反馈模式

如结型场效应晶体管中漏极放电一样[5]，电平反馈模式指将芯片中反馈端通过电阻接某电平(如图2所示).如输入点静态电位0 V，将其通过开关及电阻接入0.01 V，其输出就会很快跳变到负向饱和点，从而使测量时向上变化的空间最大.如接入-0.01 V，则跳变到正向饱和，测量时向上变化的空间最大.此种复位模式的好处是对同一种芯片分别对应收集电子或空穴(两种方向漏电流)，动态范围都可以很大，是一种更加通用的方式.

2 电子学测试系统设计

将芯片搭载在一块偏置电路板上，在板上由一些分立元件为芯片提供供电滤波、RESET信号、选择工作模式等功能.对于单电源数字信号转双电源，采用DS26C32AM元件.该元件可实现通过比较输入电压与给定电压的大小输出高低电平，提供开关复位信号.设计的偏置电路板如图3所示.测试过程中采用ORTEC公司的752A型主放插件，将放大后的信号接入MCA8000A多道分析器中，分析能谱特性.

3 芯片性能测试

3.1 芯片电子学噪声测试

整个芯片测试板由外部的+2.5 V和-2.5 V电源供电，总电流分别为14 mA和15 mA，总功耗为72.5 mW.其中前放电流为2 mA，功耗为10 mW.通过在测试端使用Agilent33521A型信号发生器注入上升沿很快、下降沿很慢的三角波模拟探测器信号，测试芯片在不同工作模式下的电子学噪声.

3.1.1主放最佳成形时间选取首先在未接探测器的情况下测试，在测试端通过波形发生器注入1 kHz，幅度为100 mV的三角波信号，经过刻度后为5.6 fF的电容模拟探测器电荷，注入电荷量为脉冲幅度与耦合电容的乘积.芯片在开关模式下工作，通过对成形模块成形时间的调节测试在不同成形时间下的能谱，分别计算各成形时间下的电子学噪声.没有加探测器的纯电子学测试下漏电流噪声极小，而芯片的场效应管沟道热噪声与成形时间成反比关系，因此整体电子学噪声随成形时间变长而变小[6].各成形时间下的电子学噪声值如表1所示，绘制噪声值随成形时间的变化曲线(图4)，可以看出测试结果与理论预期符合.在当前测试状态下,10 μs成形时间可以获得最好的信噪比，后续电子学实验均采用主放成形时间10 μs测试.

表1 成形时间测试结果Tab.1 Test results of shaping time

3.1.2开关放电模式电子学噪声测试Fe55在6.5 keV处能量转化为在5.6 fF刻度电容下的输入电压，约为52 mV，因此,在此模式下改变注入的信号幅度使信号发生器产生50～150 mV的三角波模拟，0.28～0.84 fC的电荷注入，分析其电子学噪声.在注入100 mV电压时所得到的能谱图如图5所示.各电荷量下的电子学噪声值在表2中给出.

表2 开关放电模式下的电子学噪声Tab.2 The electronic noise of switch-reset mode

3.1.3电阻连续放电模式电子学噪声测试在反馈端接1 GΩ的电阻开关保持断开状态，用信号发生器注入频率为1 kHz幅度为100 mV的三角波信号，在主放成形时间10 μs情况下测试此时的电子学噪声.经计算，此模式下的等效噪声电荷(ENC)为17.1 e，电子学噪声(FWHM)为146 eV，比开关模式下电子学噪声小，这与理论不符，可能是此时反馈电阻与输入端形成了一定耦合电容，导致计算输入电荷不准造成的.

3.1.4电平反馈模式测试将反馈端接输入点阈值附近0.01 mV，开关保持闭合后， 输出能快速变到负向饱和电压.开关断开后，输出基线经过一段时间后开始上抬，其变化与开关放电模式类似，其噪声性能也一致.因此，此模式要合理工作，需要加比较器在芯片输出端，侦测到复位快进入饱和区，即停止复位，开始正常采集.

3.2 芯片与探测器联调试用

采用6 mm2Si-PIN探测器在真空罐中对芯片开关模式进行了低温测试.成形时间选择6 μs，温度降到-28 ℃，Fe55源在5.9 keV处的分辨约为414 eV(图6)，其结果较为合理.

3.3 芯片单粒子效应测试

在空间环境中时，芯片不可避免地会受到空间辐射环境中的带电粒子辐射.单粒子闭锁是带电粒子辐射效应之一，有可能导致器件烧毁，且主要发生于CMOS器件中[7].本文利用中国原子能科学研究院HI-13串列静电加速器作为模拟源对芯片CPRE_SW2进行了摸底实验.

本实验中选取3块同样工艺同一批次的CPRE_SW2测试板, 通过网线及Windows自带远程控制程序控制位于实验厅的主计算机.主计算机通过自编的控制程序远程控制稳压源(已设定限流50 mA)给实验板供电，并实时记录电流电压值.也可通过主计算机上外接的摄像头，通过视频直接观测稳压源的电流变化，监测测试板的单粒子效应(如图7所示).当电流源出现电流陡增情况时判定为一次SEL锁定，对其记录，并手动复位.

实验时粒子注量率在10 000个/s以上，总注量需达到107个.先选取能量较小的Ge离子照射后无单粒子锁定情况，逐渐增大到能量为283的I离子照射，每次测试在约1.4×104/(cm2·s)注量率下总注量达到107/cm2，均没有发生锁定现象(测试使用的离子参数见表3，测试板SiO2层厚度为7.46 μm，离子穿过SiO2层后参数有所改变).辐照测试完成后再次对芯片进行性能测试，3块板性能均与实验前保持一致，工作正常，判断测试板的单粒子锁定阈值不低于I离子的有效LET值56.7 MeV·cm2/mg.

表3 辐照测试离子参数表Fig 3 Ion parameter table of radiation test

3 结论

对芯片进行完整的噪声测试与抗辐照测试后，发现芯片具有较低的噪声，较高的抗单粒子锁定(SEL)性能，但芯片在电子学测试及与探测器联调过程中的噪声值高于仿真噪声值5.5e+6e/pF.产生误差的原因可能是工艺厂商仿真模型问题，后仿真不到位，测试时波形发生器带来的噪声等.接下来，拟设计下一版芯片，更换工艺厂商，采用更准确模型并全面提取后仿真参数，减少外引出管脚，达到真正的实用化.

感谢中国原子能科学研究院HI-13串列静电加速器的精心准备和平稳运行.