專(zhuān)利名稱(chēng)：：補(bǔ)償電路及輻射探測(cè)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及探測(cè)系統(tǒng)領(lǐng)域，特別涉及一種補(bǔ)償電路及輻射探測(cè)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
：輻射探測(cè)系統(tǒng)(radiationdetector)是用于對(duì)核輻射和粒子的微觀現(xiàn)象進(jìn)行觀察和研究的傳感器件，在高能物理、軍事、工農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、天文等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用，其核心部件包括粒子探測(cè)器和讀出電路兩部分。粒子探測(cè)器的作用是實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，讀出電路的作用是完成電荷脈沖信號(hào)的處理和讀出。讀出電路對(duì)輻射探測(cè)系統(tǒng)的性能有重要影響。近年來(lái)，隨著互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(ComplementaryMetalOxideSemiconductor，簡(jiǎn)稱(chēng)CMOS)工藝的發(fā)展，大規(guī)模CMOS輻射探測(cè)器讀出電路已經(jīng)成為主流。如圖1-4所示，圖1是現(xiàn)有技術(shù)輻射探測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，圖2是現(xiàn)有技術(shù)輻射探測(cè)系統(tǒng)的讀出電路的電路圖，圖3是現(xiàn)有技術(shù)脈沖成形器閉環(huán)反饋結(jié)構(gòu)電路圖；圖4是現(xiàn)有技術(shù)脈沖成形器中運(yùn)算放大器的電路圖；輻射探測(cè)系統(tǒng)包括粒子探測(cè)器1，前端放大器2、脈沖成形器3、甄別器4和計(jì)數(shù)器5幾部分，其中前端放大器2，脈沖成形器3，甄別器4和計(jì)數(shù)器5組成輻射探測(cè)系統(tǒng)的讀出電路。對(duì)于前端放大器，為減少因探測(cè)器電容不同對(duì)電荷脈沖信號(hào)放大增益產(chǎn)生的影響，一般選用電容反饋積分器形式，構(gòu)成電荷靈敏放大器(ChargeSensitiveAmplifier,簡(jiǎn)稱(chēng)CSA)。同時(shí)為避免放大器飽和，采用反饋電阻來(lái)對(duì)電荷進(jìn)行泄放。這種采用電阻反饋進(jìn)行連續(xù)復(fù)位的放大器，其典型的輸出波形為一很陡的上升沿，及緩慢衰減的下降沿(指數(shù)變化)，衰減時(shí)間常數(shù)通常由反饋電阻和反饋電容來(lái)決定。脈沖階躍幅度代表探測(cè)器得到的粒子能量。電荷靈敏放大器輸出信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula><formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>其中，Q為輸入電荷總量，由粒子在探測(cè)器介質(zhì)中損失的能量決定。電路穩(wěn)定所需rGBWCfGBWCfC.條件為上升時(shí)間Μ=^^^，二者之間存在折中。隨著計(jì)數(shù)率的升高，脈沖間的累積效應(yīng)更加顯著。因此在對(duì)CSA輸出信號(hào)進(jìn)行甄別處理之前，采用脈沖成形器對(duì)其進(jìn)行濾波，限制帶寬降低噪聲，以得到更小的衰減時(shí)間。也即采用兩個(gè)基于運(yùn)算放大器的反饋環(huán)路級(jí)聯(lián)的結(jié)構(gòu)。另外出于穩(wěn)定性考慮CSA反饋電容不能取的很小，因而輸出信號(hào)幅度較小，需要對(duì)其進(jìn)一步放大。從輸入電荷到脈沖整形器輸出電壓的傳輸函數(shù)為vn7ReffSC7Rd<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>由于輻射探測(cè)系統(tǒng)電路功耗非常低，小電流導(dǎo)致小的帶寬，因此實(shí)際電路的傳輸函數(shù)比上式含有更多的極點(diǎn)，從而導(dǎo)致穩(wěn)定性問(wèn)題，表現(xiàn)在輸出脈沖波形上則會(huì)出現(xiàn)除傳輸函數(shù)本身零點(diǎn)造成的下過(guò)沖以外的震蕩過(guò)沖。這些幅度漸衰的過(guò)沖會(huì)限制粒子計(jì)數(shù)率，并降低輻照能量的測(cè)量精度，甚至造成電路無(wú)法正常工作。采用兩個(gè)反饋環(huán)路直接級(jí)聯(lián)的結(jié)構(gòu)，即使運(yùn)算放大器本身滿(mǎn)足穩(wěn)定性要求，在構(gòu)成閉環(huán)回路后也會(huì)產(chǎn)生穩(wěn)定性問(wèn)題。
發(fā)明內(nèi)容(一)要解決的技術(shù)問(wèn)題本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種補(bǔ)償電路及輻射探測(cè)系統(tǒng)，以解決現(xiàn)有的輻射探測(cè)系統(tǒng)穩(wěn)定性差，輻照能量的測(cè)量精度低，讀出信號(hào)速率慢等缺陷。(二)技術(shù)方案為此，本發(fā)明提供了一種補(bǔ)償電路，設(shè)置在輻射探測(cè)系統(tǒng)的第一級(jí)放大器輸出端和第二級(jí)放大器輸入端之間，包括兩個(gè)電阻和一個(gè)電容，第一電阻與電容并聯(lián)，其連接點(diǎn)與第二電阻串聯(lián)。本發(fā)明還提供了一種輻射探測(cè)系統(tǒng)，包括粒子探測(cè)器，與所述粒子探測(cè)器相連接的前端放大器，與所述前端放大器相連接的脈沖成形器，與所述脈沖成形器相連接的甄別器，以及與所述甄別器相連接的計(jì)數(shù)器，還包括補(bǔ)償電路，設(shè)置在所述前端放大器輸出端和脈沖成形器輸入端之間，包括兩個(gè)電阻和一個(gè)電容，第一電阻與電容并聯(lián)，其連接點(diǎn)與第二電阻串聯(lián)。(三)有益效果上述技術(shù)方案具有如下有益效果通過(guò)在第一級(jí)放大器和第二級(jí)放大器之間設(shè)置補(bǔ)償電路增加輻射探測(cè)系統(tǒng)的極點(diǎn)和零點(diǎn)，在不影響第一級(jí)環(huán)路增益穩(wěn)定性的前提下，增加了第二級(jí)環(huán)路的相位裕度；同時(shí)提高了讀出信號(hào)的速率，在未增加系統(tǒng)總功耗的情況下增加了系統(tǒng)穩(wěn)定性；且成本低廉，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。圖1是現(xiàn)有技術(shù)輻射探測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是現(xiàn)有技術(shù)輻射探測(cè)系統(tǒng)的讀出電路的電路圖；圖3是現(xiàn)有技術(shù)脈沖成形器閉環(huán)反饋結(jié)構(gòu)電路圖；圖4是現(xiàn)有技術(shù)脈沖成形器中運(yùn)算放大器的電路圖；圖5是現(xiàn)有技術(shù)脈沖成形器環(huán)路增益頻率特性曲線(xiàn)示意圖；圖6是本發(fā)明補(bǔ)償電路結(jié)構(gòu)示意圖；圖7是本發(fā)明輻射探測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖8是本發(fā)明輻射探測(cè)系統(tǒng)的讀出電路的電路圖；圖9是本發(fā)明脈沖成形器環(huán)路增益頻率特性曲線(xiàn)示意圖。其中，1粒子探測(cè)器；2電荷靈敏放大器；3脈沖成形器；4甄別器；5計(jì)數(shù)器；6:補(bǔ)償電路。具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例用于說(shuō)明本發(fā)明，但不用來(lái)限制本發(fā)明的范圍。如圖6所示，為本發(fā)明補(bǔ)償電路結(jié)構(gòu)示意圖，本實(shí)施例包括兩個(gè)電阻R5、R6和一個(gè)電容C5。其中電阻R5和電容C5并聯(lián)，其并連連接點(diǎn)再與電阻R6串聯(lián)連接。將本實(shí)施例的補(bǔ)償電路設(shè)置在輻射探測(cè)系統(tǒng)的第一級(jí)放大器輸出端和第二級(jí)放大器輸入端之間，能夠在不影響第一級(jí)環(huán)路增益穩(wěn)定性的前提下，增加了第二級(jí)環(huán)路的相位裕度；同時(shí)能夠提高讀出信號(hào)的速率。如圖7所示，為本發(fā)明輻射探測(cè)系統(tǒng)實(shí)施例一結(jié)構(gòu)示意圖，再如圖8所示，為本發(fā)明輻射探測(cè)系統(tǒng)的讀出電路的電路圖；本實(shí)施例包括粒子探測(cè)器1、電荷靈敏放大器2、脈沖成形器3、甄別器4、計(jì)數(shù)器5以及補(bǔ)償電路6。其中電荷靈敏放大器2、脈沖成形器3、甄別器4和計(jì)數(shù)器5構(gòu)成了輻射探測(cè)系統(tǒng)的讀出電路。其中CSA2由第一級(jí)放大器Al、電阻Rl、電阻R2和電阻R3，以及電容Cl，電容C2構(gòu)成，是粒子探測(cè)器1與讀出電路的接口，對(duì)粒子輻射產(chǎn)生的電荷包進(jìn)行接收與積分；脈沖成形器3與CSA2相連接，為一帶通濾波器，由第二級(jí)放大器A2、電阻R4，電容C3和電容C4構(gòu)成，對(duì)CSA2輸出的脈沖信號(hào)進(jìn)行降噪和整形；甄別器4與脈沖成形器3相連接，為一滯回比較器，用于減少噪聲干擾的影響，對(duì)脈沖信號(hào)與閾值進(jìn)行比較，并將比較結(jié)果送入計(jì)數(shù)器5進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。補(bǔ)償電路6設(shè)置在第一級(jí)放大器Al的輸出端和第二級(jí)放大器A2的輸入端之間。包括電阻R5、電阻R6和電容C5，電阻R5和電容C5并聯(lián)之后，再與電阻R6串聯(lián)。本發(fā)明補(bǔ)償電路的原理為對(duì)于脈沖成形器，其環(huán)路增益可以寫(xiě)為ζ2)l2\S)~Ti；77；；-3-；-Γ其中_10)ζ2=—~-~Cf2Kf2ω1(C/2+Ci2)Rf21COd2—-CCROUtlSmeRout2m—_^m6Wnd2—rC0(l+^)Ccωηζ一可以看到cod2、ωρ2頻率都比較低，cod2主要是補(bǔ)償后的極點(diǎn)分裂的結(jié)果，而ωρ2由于Ci2、Rf2取值都比較大，并且在插入補(bǔ)償結(jié)構(gòu)之前，Ci2一端存在的CSA的高輸出阻抗節(jié)點(diǎn)，使整個(gè)系統(tǒng)的主極點(diǎn)與第一非主極點(diǎn)之間難以分開(kāi)，在負(fù)零點(diǎn)ωΖ2開(kāi)始對(duì)相位進(jìn)行補(bǔ)償之前就已經(jīng)產(chǎn)生了較大的相移，相位裕度很難滿(mǎn)足要求。插入補(bǔ)償結(jié)構(gòu)改進(jìn)之后，補(bǔ)償電阻R6(取值較小，僅幾K歐量級(jí))屏蔽了CSA輸出大電阻的影響，使ωρ2向更高頻的方向移動(dòng)，與負(fù)零點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)償。構(gòu)成本發(fā)明補(bǔ)償電路的幾個(gè)無(wú)源元件的取值需要根據(jù)輸入信號(hào)脈沖到來(lái)的速度要求，與預(yù)放大器和脈沖成形器的反饋電阻電容一起確定，若取值過(guò)大會(huì)增加高阻抗節(jié)點(diǎn)，不利于電路穩(wěn)定并且浪費(fèi)芯片面積；取值過(guò)小則很難有效起到補(bǔ)償效果。速度要求比較高的時(shí)候，需要脈沖成形器提供較小的峰值時(shí)間，對(duì)應(yīng)的反饋電阻電容較小，這就要求補(bǔ)償電路元件取值也相應(yīng)減小。圖5是現(xiàn)有技術(shù)脈沖成形器環(huán)路增益頻率特性曲線(xiàn)示意圖，圖9是本發(fā)明脈沖成形器環(huán)路增益頻率特性曲線(xiàn)示意圖，比較圖5和圖9可以看到幅頻特性頻帶展寬，圖5中相頻曲線(xiàn)上的局部“谷點(diǎn)”在圖9中被抬高，幅頻、相頻特性曲線(xiàn)有所平緩，相位裕度增加，穩(wěn)定性增強(qiáng)。現(xiàn)有技術(shù)中也有采用此種電阻電容級(jí)聯(lián)于兩級(jí)放大器之間的例子，但其主要是通過(guò)設(shè)計(jì)電阻電容參數(shù)值來(lái)對(duì)CSA中的極零點(diǎn)進(jìn)行抵消，減小輸出信號(hào)的下過(guò)沖。本發(fā)明中的電阻電容參數(shù)取值主要是滿(mǎn)足對(duì)第一、二級(jí)放大器環(huán)路增益頻率特性的調(diào)整，以達(dá)到穩(wěn)定工作的目的而進(jìn)行考慮的。下面通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)本發(fā)明的穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)證，本實(shí)施例以結(jié)電容約為30pF的輻射探測(cè)系統(tǒng)讀出電路為例，其結(jié)構(gòu)如圖4所示，為適應(yīng)IMHz的計(jì)數(shù)率要求，為了保證一定的輸出信號(hào)幅度，在輸出端Vout增加了一級(jí)10倍同相放大器作為增益級(jí)，以滿(mǎn)足幅度檢測(cè)要求。此外，采用一不加補(bǔ)償電路的現(xiàn)有輻射探測(cè)器讀出電路作參照，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，為排除干擾因素的影響，兩種結(jié)構(gòu)中第一級(jí)放大器Al和第二級(jí)放大器A2內(nèi)部對(duì)應(yīng)的元件參數(shù)取值完全一致。經(jīng)stMSpectre中的穩(wěn)定性分析)仿真，結(jié)果如表1所示。表1現(xiàn)有讀出電路輸出級(jí)與本發(fā)明讀出電路輸出級(jí)穩(wěn)定性對(duì)比現(xiàn)有讀出電路<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>本發(fā)明讀出電路第一級(jí)放大Phase極小值處__器環(huán)路增益增益OdB處(PM)59.39deg@12.lMHz第二級(jí)放大Phase極小值處55.85deg@874KHz器環(huán)路增益_增益38.13dB_I增益OdB處(PM)I59.85deg@71.4MHz如圖5所示，為本發(fā)明輻射探測(cè)系統(tǒng)環(huán)路增益頻率特性曲線(xiàn)示意圖，再如表1所示，可以得出，由于本發(fā)明添加了補(bǔ)償電路，在不影響第一級(jí)環(huán)路增益穩(wěn)定性的前提下，增加了第二級(jí)放大器的相位裕度。并且提高了讀出速率，增加了系統(tǒng)穩(wěn)定性，并且未增加總功^^ο對(duì)于現(xiàn)有讀出電路中的簡(jiǎn)單電容耦合，由于實(shí)際CSA中RfCf并非無(wú)窮大，CSA的輸出信號(hào)不是階躍信號(hào)，而是以時(shí)間常數(shù)RfCf衰減，傳輸函數(shù)^=—^——^i-Qm^sClReff\+sC,Ra說(shuō)明CSA的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)一級(jí)高通濾波后會(huì)產(chǎn)生與RfCf相同時(shí)間常數(shù)的下過(guò)沖，因此導(dǎo)致處理一個(gè)信號(hào)所需的時(shí)間非常長(zhǎng)，限制了粒子計(jì)數(shù)率。若在此期間有新的信號(hào)到來(lái)，電壓在此負(fù)過(guò)沖上疊加，將導(dǎo)致記錄的峰值比實(shí)際脈沖幅度小，降低輻照能量的測(cè)量精度。而通過(guò)本發(fā)明補(bǔ)償電路增加極點(diǎn)、零點(diǎn)，對(duì)CSA、脈沖成形器閉環(huán)傳輸函數(shù)當(dāng)中的極點(diǎn)零點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)償，以增加傳輸函數(shù)的復(fù)雜度，來(lái)?yè)Q取閉環(huán)穩(wěn)定性，有利于減小過(guò)沖，提高脈沖處理速度。同時(shí)，與現(xiàn)有讀出電路相比，本發(fā)明補(bǔ)償電路的加入并未改變交流耦合，前級(jí)CSA仍然不會(huì)對(duì)后級(jí)電路的直流工作點(diǎn)產(chǎn)生影響，第一級(jí)、第二級(jí)放大器環(huán)路可根據(jù)計(jì)數(shù)率要求相對(duì)獨(dú)立的進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，并未增加設(shè)計(jì)復(fù)雜度。而且，本發(fā)明補(bǔ)償電路不會(huì)帶來(lái)額外的電流消耗，適用于低功耗應(yīng)用。由以上實(shí)施例可以看出，本發(fā)明實(shí)施例通過(guò)在第一級(jí)放大器和第二級(jí)放大器之間設(shè)置補(bǔ)償電路增加輻射探測(cè)系統(tǒng)的極點(diǎn)和零點(diǎn)，在不影響第一級(jí)環(huán)路增益穩(wěn)定性的前提下，增加了第二級(jí)環(huán)路的相位裕度；同時(shí)提高了讀出信號(hào)的速率，在未增加系統(tǒng)總功耗的情況下增加了系統(tǒng)穩(wěn)定性；且成本低廉，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本
技術(shù)領(lǐng)域：
的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和變型，這些改進(jìn)和變型也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。權(quán)利要求一種補(bǔ)償電路，設(shè)置在輻射探測(cè)系統(tǒng)的第一級(jí)放大器輸出端和第二級(jí)放大器輸入端之間，其特征在于，所述補(bǔ)償電路包括兩個(gè)電阻和一個(gè)電容，第一電阻與電容并聯(lián)，其連接點(diǎn)與第二電阻串聯(lián)。2.一種輻射探測(cè)系統(tǒng)，包括粒子探測(cè)器，與所述粒子探測(cè)器相連接的前端放大器，與所述前端放大器相連接的脈沖成形器，與所述脈沖成形器相連接的甄別器，以及與所述甄別器相連接的計(jì)數(shù)器，其特征在于，還包括如權(quán)利要求1所述的補(bǔ)償電路，設(shè)置在所述前端放大器輸出端和脈沖成形器輸入端之間。全文摘要本發(fā)明公開(kāi)了一種補(bǔ)償電路及輻射探測(cè)系統(tǒng)，該補(bǔ)償電路設(shè)置在輻射探測(cè)系統(tǒng)的第一級(jí)放大器輸出端和第二級(jí)放大器輸入端之間，該補(bǔ)償電路包括兩個(gè)電阻和一個(gè)電容，第一電阻與電容并聯(lián)，其連接點(diǎn)與第二電阻串聯(lián)。本發(fā)明提供的補(bǔ)償電路應(yīng)用在輻射探測(cè)系統(tǒng)中，在不影響讀出電路第一級(jí)環(huán)路增益穩(wěn)定性的前提下，能夠增大第二級(jí)環(huán)路的相位裕度，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高讀出速率；且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，易于實(shí)現(xiàn)。文檔編號(hào)G01T1/15GK101799553SQ201010138829公開(kāi)日2010年8月11日申請(qǐng)日期2010年3月19日優(yōu)先權(quán)日2010年3月19日發(fā)明者周春芝,張雅聰,朱紅英,李靜,楊團(tuán)偉,邵建輝,陳中建,魯文高申請(qǐng)人:北京大學(xué)