碲锌镉探测器低噪声读出电路的设计
发布时间：2021-08-05 碲锌镉半导体材料在室温条件下具有电阻率高、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，因此被广泛应用于碲锌镉探测器在射线定位和医学成像等领域。针对PET电子成像系统中高分辨率、高集成度等要求，研发人员设计出了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。
2.1 漏电流补偿电路
如图2所示漏电流经过反馈电阻Rf影响电路噪声和输出基线的稳定，采用了漏电流补偿电路与自偏置虚电阻的并联结构：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
增大电路的增益也可以减小输出等效噪声电荷,因此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：
通过适当的设计使得i2≈i1，i3/i1
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。
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