碲鋅鎘探測器低噪聲讀出電路的設計

吳昊+秦水介

摘 要 針對碲鋅鎘（CZT）探測器受電子學噪聲影響較大的問題，本文分析了碲鋅鎘探測器的電學模型以及信號采集電路的噪聲模型，采用低噪聲設計方法和整形技術，基于上華0.35um工藝設計了一款低噪聲讀出電路。通過仿真表明：當探測器輸入電容為5pF，漏電流低于2nA時，電路的輸出基線保持在590mV，輸出等效噪聲電荷（ENC）小于132個電子；當輸入電容為15pF時，電路增益可達到499mV/fC。

【關鍵詞】碲鋅鎘探測器 低噪聲 讀出電路 漏電流

由于碲鋅鎘半導體材料具有在室溫條件下電阻率高、溫度系數小、便于與前端電子學結合、較高的靈敏度等優越特性，碲鋅鎘探測器在射線定位和醫學成像等領域得到廣泛應用。針對PET電子成像系統中高分辨率、高集成度等要求，本文設計了一款基于碲鋅鎘半導體材料的低噪聲前端讀出電路。

1 探測器模型

如圖1左圖所示：CZT探測器的工作示意圖，當射線進入碲鋅鎘探測器時，與CZT晶體相互作用，產生電子-空穴對；當外加高偏壓-VC作用于陰極時，晶體中電離產生的電子—空穴對分別向兩極板漂移；從而探測器耗盡層區域內的電荷在dt時間內向收集電極移動dx的距離，則在收集電極上產生dQin的感應電荷，該電荷被電荷靈敏放大器收集，故在陰極電極板上產生瞬時電流。故可以將CZT探測器等效成圖1中右圖所示的電學模型，探測器的極板電容以及連線分布電容等效成輸入電容cin；探測器極板上產生的電流脈沖

iin；id漏電流。

2 噪聲分析

等效噪聲電荷（ENC）是衡量讀出電路的重要指標，其表達式：

ENC=（Vnoise/Acsa）*（104/1.6）

由式（1）知：減小電路輸出噪聲可獲得較理想的ENC。其中，電路輸出噪聲包括電路本身的噪聲和漏電流對電路的噪聲貢獻。

2.1 漏電流補償電路

如圖2漏電流經過反饋電阻Rf影響電路噪聲和輸出基線的穩定。文獻[2]采用了電阻結構，但沒有對漏電流進行處理，噪聲較大；文獻[3]采用工作在飽和區的MOS管作反饋電阻，但是這種有源電阻的阻值有限，對噪聲貢獻依然較大；文獻[4]中采用了交流耦合的隔離方式，避免了漏電流對成形電路輸出基線的影響，但是不能減小漏電流的噪聲貢獻；本文采用了漏電流補償電路與自偏置虛電阻的并聯結構，如圖2所示：工作在亞閾值區的Mc1和Mc2實現漏電流補償，Ic為2nA的補償電流；Mra和Mrb串聯組成反饋電阻Rf，其阻值可達到GΩ量級，該阻值可避免連續兩個周期的電荷疊加。

2.2 電荷靈敏放大器低噪聲實現

由（1）式可知，增大電路的增益也可以減小輸出等效噪聲電荷；為此，本文的電荷靈敏放大器采用折疊式共源共柵結構如圖3所示；M1、M2、M3、M4、M5組成單端折疊式放大器，其噪聲是差分結構的一半。電路的噪聲主要來源于MOS管的白噪聲和1/f噪聲。圖3電路噪聲模型如下：

由（2）式可知，通過適當的設計使得i2≈i1，i3/i1<<1；從而實現M2和M3管的等效電阻gds1與gds2<

2.3 探測器輸入電容Cin對電路噪聲影響

由于探測器輸入寄生電容cin的存在，降低了電荷靈敏放大器的增益，從而提高了輸出等效噪聲電荷。可分析為：

其中w0、k0分別為電荷靈敏放大器的開環帶寬；由（3）式可知，可以通過減小Cf，使得cf<

3 仿真結果與分析

基于上華0.35um工藝，采用spectre仿真器進行電路仿真驗證。由圖4知，室溫條件下，漏電流在2nA以內變化時，基線保持不變，全工藝角條件下的基線偏差在30nV以內，故漏電流補償電路可有效消除漏電流對電路輸出基線的影響。

如圖5輸出等效噪聲電荷與漏電流的關系曲線，漏電流為2nA時，輸出等效噪聲為123個電子；在2nA以內，探測器漏電流越接近補償電流，ENC越小。顯然，本文采用的設計方法可以降低CZT探測器的電子學噪聲。

圖6是在輸入為1fC電荷時，不同輸入電容條件下的輸出波形，當輸入電容越大，增益越小，達峰時間越大；而電路的噪聲不變，故輸入電容越大，ENC越大。

4 結論

本文通過漏電流補償電路、MOS虛電阻以及電路低噪聲設計、整形處理；在室溫條件下，輸入電容為5pF時，等效噪聲電荷低于132e；漏電流在0nA到2nA變化過程中，電路的輸出基線保持在590mV，各工藝角偏差小于30nV，可滿足后續信號處理的要求。

參考文獻

[1]張秋實，盧閆曄，謝肇恒，楊昆，任秋實.用于醫學成像的碲鋅鎘單極型探測器研究進展[J].半導體光電，2013（02）：171-179.

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

[3]羅杰，鄧智，劉以農，王光祺，李紅日.像素碲鋅鎘探測器低噪聲讀出芯片設計與測試[J].清華大學學報（自然科學版），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.