CN106341088B - 电流前置放大器、时间分辨读出电路及时间分辨探测装置 - Google Patents

电流前置放大器、时间分辨读出电路及时间分辨探测装置 Download PDF

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Abstract

本公开是关于一种电流前置放大器、时间分辨读出电路及时间分辨探测装置，该电流前置放大器包括：电流输入模块，用于接收电流信号；电流放大模块，用于接收来自所述电流输入模块的所述电流信号并且对所述电流信号进行放大；电流转电压模块，用于接收来自所述电流放大模块的经放大的所述电流信号并且将所述经放大的所述电流信号转换成电压信号；交流耦合输出模块，用于消除所述电压信号的直流分量。本发明配置的电流前置放大器易于实现，并且具有低等效输入阻抗、低噪声等特点，能够甄别小的输入信号。

Description

电流前置放大器、时间分辨读出电路及时间分辨探测装置
技术领域
本公开涉及核探测技术和核电子学领域，具体而言，涉及一种电流前置放大器、时间分辨读出电路及时间分辨探测装置。
背景技术
目前，在核探测技术中，时间分辨探测装置广泛地应用于粒子飞行时间(TOF)测量、核同位素的共振非弹性散射(NRS)实验、X射线非共振非弹性散射(IXS)实验等领域。时间分辨探测装置可以包括时间分辨读出电路和高速传感器，该高速传感器可以例如为雪崩光电二极管(APD)传感器、多气隙电阻性板室(MRPC)探测器。
现有时间分辨读出电路的代表为欧洲核子研究组织CERN所研制的NINO(NINO:AnUltrafast Low-Power Front-End Amplifier Discriminator for the Time-of-FlightDetector in the ALICE Experiment(用于ALICE实验中的飞行时间探测器的超快速低功率前端放大甄别器))芯片，该芯片的电流前置放大器的结构如图1所示。如图1可知，该芯片采用高速电流前置放大器来收集传感器输出的光电流信号，然而，电流前置放大器读出噪声大，不能甄别小信号。该芯片要求输入信号大于100fC，而在NRS实验中(通常使用APD探测器)，以57Fe核共振散射为例，X射线能量为14.4keV，APD传感器的放大倍数M＝50，产生的核散射信号约为32fC，因此，NINO芯片不能满足实验需求。这限制了NINO芯片在低噪声要求实验中的应用。
因此，需要解决电流前置放大器读出噪声大，不能甄别小信号的问题。从而，在能够收集光电流信号并对该光电流信号进行放大处理的前提下，满足实验要求。
需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
发明内容
本公开的目的在于提供一种电流前置放大器、时间分辨读出电路及时间分辨探测装置，进而至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的一个或者多个问题。
根据本公开的一个方面，提供一种电流前置放大器，包括：
电流输入模块，用于接收电流信号；
电流放大模块，用于接收来自所述电流输入模块的所述电流信号并且对所述电流信号进行放大；
电流转电压模块，用于接收来自所述电流放大模块的经放大的所述电流信号并且将所述经放大的所述电流信号转换成电压信号；以及
交流耦合输出模块，用于消除所述电压信号的直流分量并据以提供输出信号。
在本公开的一种示例性实施例中，所述电流信号来自雪崩光电二极管传感器。
在本公开的一种示例性实施例中，所述电流输入模块包括：
第一晶体管，所述第一晶体管的控制端接收第一偏置电压，所述第一晶体管的第一端接收所述电流信号，所述第一晶体管的第二端与第一偏置电流源耦接；以及
第二晶体管，所述第二晶体管的控制端与所述第一偏置电流源耦接，所述晶体管的第一端接地，所述第二晶体管的第二端接收所述电流信号。
在本公开的一种示例性实施例中，所述电流放大模块包括电流镜放大电路。
在本公开的一种示例性实施例中，所述电流放大模块包括：
所述第二晶体管；以及
第三晶体管，所述第三晶体管的控制端与所述第一偏置电流源耦接，所述第三晶体管的第一端接地，所述第三晶体管的第二端与所述电流转电压模块耦接。
在本公开的一种示例性实施例中，所述电流转电压模块包括：
第四晶体管，所述第四晶体管的控制端接收第二偏置电压，所述第四晶体管的第一端与第二偏置电流源以及所述电流放大模块耦接；以及，
负载电阻，所述负载电阻的第一端与所述第四晶体管的第二端以及所述交流耦合输出模块耦接，所述负载电阻的第二端与第一电压耦接。
在本公开的一种示例性实施例中，所述交流耦合输出模块包括：
隔直电容，所述隔直电容的第一端与所述电流转电压模块耦接；以及，
偏置电阻，所述偏置电阻的第一端接收参考电压，所述偏置电阻的第二端与所述隔直电容的第二端并输出所述输出信号。
在本公开的一种示例性实施例中，所有所述晶体管均为NMOS晶体管。
根据本公开的一个方面，提供一种时间分辨读出电路，包括上述任意一项所述的电流前置放大器。
根据本公开的一个方面，提供一种时间分辨探测装置，包括上述任意一项所述的时间分辨读出电路。
本公开的一种实施例的有益效果在于，将电流前置放大器配置成包括电流输入模块、电流放大模块、电流转电压模块和交流耦合输出模块，一方面，通过配置电流输入模块，使得电流前置放大器具有低等效输入阻抗、低噪声的特性；另一方面，通过配置电流放大模块，提高了信噪比；再一方面，通过配置交流耦合电路来消除电流前置放大器的直流失调，使得可以精确地设定后续处理电路的甄别阈值，保证了对光生信号的准确甄别；此外，本公开提供的应用于时间分辨探测器的电流前置放大器结构简单且易于实现，能够适用于低电源电压工艺。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
图1示意性地示出了现有技术中NINO芯片的电流前置放大器的电路图；
图2示意性地示出了根据本发明的实施例实施方式的电流前置放大器的电路模块框图；
图3示意性地示出了根据本发明的示例性实施方式的电流前置放大器的电路图；
图4示意性地示出了根据本发明的示例性实施方式的电流前置放大器连接至甄别器的电路图。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本公开将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而省略所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知技术方案以避免喧宾夺主而使得本公开的各方面变得模糊。
此外，附图仅为本公开的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。
为了解决上述问题，给出以下实施例对本公开进行解释和说明。
参考图2，根据本发明的示例性实施方式的电流前置放大器可以包括电流输入模块1、电流放大模块2、电流转电压模块3和交流耦合输出模块4。其中，电流输入模块1可以是APD传感器与电流前置放大器之间的接口电路，用于接收APD传感器输出的电流信号；电流放大模块2的输入端可以与电流输入模块1的输出端耦接，用于接收来自电流输入模块1的电流信号，并且对该电流信号进行放大；电流转电压模块3的输入端可以与电流放大模块2的输出端耦接，用于将从电流放大模块2接收的电流信号转换成电压信号；交流耦合输出模块4的输入端可以与电流转电压模块3的输出端耦接，用于消除电流前置放大器的直流失调并且将经处理的电压信号输出给后续信号处理电路(未示出)。
通过配置电流输入模块1，使得电流前置放大器具有低等效输入阻抗、低噪声的特性，解决了现有技术不能甄别小信号的问题；通过配置电流放大模块2，提高了信噪比；通过配置电流转电压模块3，将电流信号转换成电压信号；通过配置交流耦合电路4，消除了电压信号的直流分量，使得可以精确地设定后续处理电路的甄别阈值，保证了对光生信号的准确甄别。
然而，本示例性实施方式还可以包括有助于提高电流前置放大器性能的其他电路模块，并且这些电路模块之间的连接关系可以变化，本示例性实施方式中对此不做特殊限定。
下面将结合图3来对根据本公开的示例性电流前置放大器进行详细地描述。
如图3所示，电流输入模块1包括第一偏置电流源IB1、第一晶体管M1和第二晶体管M2；电流放大模块2包括第二晶体管M2和第三晶体管M3；电流转电压模块3包括第二偏置电流源IB2、负载电阻R1和第四晶体管M4；交流耦合输出模块4包括隔直电容C1和偏置电阻R2。
其中，第一晶体管M1至第四晶体管M4可以是NMOS晶体管或PMOS晶体管，但不限于此，第一晶体管M1至第四晶体管M4还可以是BJT(双极结型晶体管)等。
下面，以本实施例中第一晶体管至第四晶体管均为NMOS晶体管为例进行说明。在本实施例中，第一晶体管M1至第四晶体管M4均具有控制端、第一端和第二端，这三个端分别对应NMOS晶体管的栅极、源极和漏极。
本实施例的电流前置放大器的各个部件具体连接关系如下：
在电流输入模块1中，第一偏置电流源IB1的输出端与第一晶体管M1的第二端耦接，第一晶体管M1的控制端与第一偏置电压VB1的输入端耦接，并且第一晶体管M1的第一端、第二晶体管M2的第二端与电流信号IS的输入端IN耦接于第一节点n1；
在电流放大模块2中，第二晶体管M2的第一端与第三晶体管M3的第一端接地，并且第二晶体管M2的控制端、第三晶体管M3的控制端与第一偏置电流源IB1的输出端耦接于第二节点n2；
在电流转电压模块3中，第二偏置电流源IB2的输出端、第四晶体管M4的第一端与第三晶体管M3的第二端耦接于第三节点n3，第四晶体管M4的控制端与第二偏置电压VB2的输入端耦接，并且第四晶体管M4的第二端与负载电阻R1的一端耦接于第四节点n4；
在交流耦合输出模块4中，隔直电容C1的一端与第四节点n4耦接，并且隔直电容C1的另一端与偏置电阻R2的一端耦接于第五节点n5。
另外，第五节点n5可以与电流前置放大器的输出信号的输入端OUT耦接。
此外，根据本公开的示例性实施方式的电流前置放大器还可以包括第一电源电压VDD的输入端和第二电源电压VREF的输入端。其中，第一电源电压VDD的输入端、第一偏置电流源IB1的输入端、第二偏置电流源IB2的输入端与负载电阻R1的另一端耦接于第六节点n6；第二电源电压VREF的输入端与偏置电阻R2的另一端耦接。
在电流输入模块1中，第一晶体管M1和第二晶体管M2可以构成翻转电压跟随器，第一偏置电流源IB1用于给第一晶体管M1和第二晶体管M2提供偏置电流。电流输入模块的等效输入阻抗，也就是整个电流前置放大器的等效输入阻抗Rin_amp由M1和M2决定，等效输入阻抗Rin_amp的表达式为：
其中，gm1为第一晶体管M1的跨导，gm2为第二晶体管M2的跨导，ro1为第一晶体管M1的小信号等效输出电阻。参考图1，NINO芯片电流前置放大器的等效输入阻抗Rin_NINO的表达式为：
其中，gm_in为NINO芯片电流前置放大器的输入晶体管Min的跨导。
对比表达式(1)和(2)可知，在gm1＝gm_in的情况下，本公开的示例性实施方式所包括的电流前置放大器的等效输入阻抗Rin_amp是NINO芯片电流前置放大器的等效输入阻抗Rin_NINO的1/gm2ro1。也就是说，本公开可以采用较小的gm1来得到与NINO相等的输入阻抗。此外，本公开所包括的电流前置放大器的等效输入噪声主要由第一晶体管M1决定，而NINO芯片的电流前置放大器等效输入噪声主要由输入晶体管Min决定，在这种情况下，当Rin_amp＝Rin_NINO时，gm1＜gm_in，而跨导越小，晶体管的噪声电流越小，因此，本公开的电流前置放大器的等效输入噪声小于NINO芯片的等效输入噪声。由此，本公开的电流前置放大器可以甄别更小的输入信号。
在电流放大模块2中，可以通过配置不同沟道尺寸的第二晶体管M2和第三晶体管M3，来将第二晶体管M2和第三晶体管M3配置成一1:n的电流镜，其中，n是大于1的正整数。本实施例使用两个晶体管构成电流镜，但不限于此，电流镜还可以通过其他电学元件的组合来构成。在电流信号IS通过电流放大模块2之后，该电流信号IS可以被放大n倍，提高了信噪比。
在电流转电压模块3中，M4被配置成一具有较低输入阻抗的共栅管，第四晶体管M4的尺寸较大，具有较大的漏端寄生电容，这实现了负载电阻R1与第四晶体管M4的第二端及第二偏置电流源IB2的输出端的隔离，进而提高了电路的工作速度。被放大的电流信号n×IS流经负载电阻R1，电流信号被转换成电压信号。此外，第二偏置电流源IB2用于给第三晶体管M3和第四晶体管M4提供偏置电流，因此，由第二偏置电流源IB2产生的电流可以是由第一偏置电流源IB1产生的电流的约n倍。
在交流耦合输出模块4中，隔直电容C1和偏置电阻R2构成了典型的交流耦合结构，但不限于此，还可以使用其他电学元件来构成交流耦合结构。由于电容具有隔直流信号通交流信号的特性，所以静态时，电流前置放大器的输出电压VOUT可以稳定在作为参考电源电压的第二电源电压VREF，当有信号输入时，在负载电阻R1上转换成的电压信号经隔直电容C1而输出给后续信号处理电路。采用交流耦合输出的方式，消除了电流前置放大器的直流失调，使得可以精确地设定探测器的甄别阈值，保证了对光生信号的准确甄别。
在本实施例中还提供一种时间分辨读出电路，包括以上所述的电流前置放大器。
参考图4，该时间分辨读出电路还可以包括甄别器5，甄别器5用于接收电流前置放大器的输出信号，实现对入射光子的甄别。甄别器5的负输入端可以与电流前置放大器的输出端耦接，甄别器5的正输入端可以耦接于另一参考电源电压VREF’的输入端。另外，甄别器5的输出端OUT’可以与后续信号处理电路中用于接收甄别器5输出信号的电路的输入端耦接。
在本实施例中还提供一种时间分辨探测装置，包括以上所述的时间分辨读出电路。该时间分辨探测装置具有低噪声、可甄别小信号的特点，使得该时间分辨探测装置可以应用到低噪声要求的实验中。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方式。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由权利要求指出。
应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (9)

1.一种电流前置放大器，其特征在于，包括：
电流输入模块，用于接收电流信号；
电流放大模块，用于接收来自所述电流输入模块的所述电流信号并且对所述电流信号进行放大；
电流转电压模块，用于接收来自所述电流放大模块的经放大的电流信号并且将所述经放大的电流信号转换成电压信号；以及
交流耦合输出模块，用于消除所述电压信号的直流分量并据以提供输出信号；
其中，所述电流输入模块包括：第一晶体管，所述第一晶体管的控制端接收第一偏置电压，所述第一晶体管的源极接收所述电流信号，所述第一晶体管的漏极与第一偏置电流源耦接；以及第二晶体管，所述第二晶体管的控制端与所述第一偏置电流源耦接，所述第二晶体管的源极接地，所述第二晶体管的漏极接收所述电流信号。
2.根据权利要求1所述的电流前置放大器，其特征在于，所述电流信号来自雪崩光电二极管传感器。
3.根据权利要求1所述的电流前置放大器，其特征在于，所述电流放大模块包括电流镜放大电路。
4.根据权利要求1所述的电流前置放大器，其特征在于，所述电流放大模块包括：
所述第二晶体管；以及
第三晶体管，所述第三晶体管的控制端与所述第一偏置电流源耦接，所述第三晶体管的源极接地，所述第三晶体管的漏极与所述电流转电压模块耦接。
5.根据权利要求1所述的电流前置放大器，其特征在于，所述电流转电压模块包括：
第四晶体管，所述第四晶体管的控制端接收第二偏置电压，所述第四晶体管的源极与第二偏置电流源以及所述电流放大模块耦接；以及，
负载电阻，所述负载电阻的第一端与所述第四晶体管的漏极以及所述交流耦合输出模块耦接，所述负载电阻的第二端与第一电压耦接。
6.根据权利要求1所述的电流前置放大器，其特征在于，所述交流耦合输出模块包括：
隔直电容，所述隔直电容的第一端与所述电流转电压模块耦接；以及，
偏置电阻，所述偏置电阻的第一端接收参考电压，所述偏置电阻的第二端与所述隔直电容的第二端并输出所述输出信号。
7.根据权利要求1、4或5任一项所述的电流前置放大器，其特征在于，所有所述晶体管均为NMOS晶体管。
8.一种时间分辨读出电路，其特征在于，包括权利要求1至7中的任一项所述的电流前置放大器。
9.一种时间分辨探测装置，其特征在于，包括权利要求8所述的时间分辨读出电路。
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