CN106374854A - 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

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，用于接收电流信号并输出；电流放大模块，用于接收电流输入模块输出的电流信号并且对该电流信号进行放大后输出；电流转电压模块，用于接收电流放大模块输出的电流信号以及调节电流信号，并且将接收到的所有电流信号转换成电压信号后输出；级联放大输出模块，用于接收电流转电压模块输出的电压信号并且对该电压信号进行放大，以提供输出信号；以及基线恢复模块，用于接收输出信号并根据输出信号与参考电压的比较结果向电流放大模块输出调节电流信号。本发明配置的电流前置放大器具有低噪声、适用于大寄生电容APD传感器等特点。

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，同步辐射中研究晶格动力学或声子行为的手段有两种，一种是核同位素的共振非弹性散射(NRS)，可以给出核素原子与周围配位原子相互作用的动力学行为；另外一种是X射线非共振非弹性散射(IXS)，可以得到动量分辨的声子谱。在这些实验中需要准确地测量核散射有关的荧光信号到达探测器的时间，要求探测器具有极高的时间分辨能力。雪崩光电二极(APD)探测器具有高饱和度、动态范围大(从0.01Hz到几个MHz)的特点，可承受的瞬时信号大，同时时间分辨能力<1ns，可以有效地在时间尺度上区分电子散射噪音和核散射信号，现在已经广泛地应用于NRS及IXS实验。APD探测器由APD传感器和读出电路两部分构成，可以直接对X射线进行探测。时间分辨读出电路作为APD探测器的关键模块，它的性能决定了探测器的时间分辨精度，其发展决定了时间分辨APD探测器的更新换代。

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输入电路结构如图1所示。从图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，该芯片的主要缺点如下：(1)读出噪声大，不能甄别小信号。NINO芯片要求输入信号>100fC。而在NRS实验中，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芯片不能满足实验要求；(2)NINO芯片仅适用于寄生电容<10pF的传感器，这限制了NINO芯片在许多同步辐射时间分辨实验中的应用。为了提高实验效率，同步辐射NRS及IXS等时间分辨实验中通常采用大感光面积的APD传感器，然而，这种大感光面积的APD传感器具有非常大的传感器寄生电容(例如加拿大Excelitas公司的C30703FHAPD，感光面积10mm×10mm，寄生电容120pF)，NINO芯片无法读出这类大寄生电容APD传感器的信号。

因此，需要解决现有时间分辨读出电路芯片所用电流前置放大器噪声大且只适用于寄生电容<10pF的传感器的问题，以满足实验要求。

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，用于接收电流信号并输出；

电流放大模块，用于接收所述电流输入模块输出的所述电流信号并且对所述电流信号进行放大后输出；

电流转电压模块，用于接收所述电流放大模块输出的电流信号以及调节电流信号，并且将接收到的所有电流信号转换成电压信号后输出；

级联放大输出模块，用于接收所述电流转电压模块输出的所述电压信号并且对所述电压信号进行放大，以提供输出信号；以及

基线恢复模块，用于接收所述输出信号并根据所述输出信号与参考电压的比较结果向所述电流放大模块输出所述调节电流信号。

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偏置电流源耦接，所述第二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：

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的输入端耦接。

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所述电流放大模块的输出端耦接；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级联放大输出模块的输入端耦接，所述负载电阻的第二端接收电源电压。

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。

在本公开的一种示例性实施例中，所述级联放大输出模块包括：

第一运算放大器，所述第一运算放大器的输入端与所述电流转电压模块的输出端耦接；以及

第二运算放大器，所述第二运算放大器的输入端与所述第一运算放大器的输出端耦接，所述第二运算放大器的输出端输出所述输出信号。

在本公开的一种示例性实施例中，所述基线恢复模块包括：

第三运算放大器，所述第三运算放大器的同相输入端接收参考电压，所述第三运算放大电路的反相输入端与所述级联放大输出模块的输出端耦接；

可控电流源，所述可控电流源的控制端与所述第三运算放大器的输出端耦接，所述可控电流源的第二端接地；

第五晶体管，所述第五晶体管的控制端与所述可控电流源的第一端耦接，所述第五晶体管的第二端与所述第四晶体管的第一端耦接；

第六晶体管，所述第六晶体管的控制端与所述第六晶体管的第二端以及所述可控电流源的第一端耦接；

第七晶体管，所述第七晶体管的控制端与所述第七晶体管的第二端以及所述第六晶体管的第一端耦接；以及

第八晶体管，所述第八晶体管的控制端与所述第七晶体管的控制端耦接，所述第八晶体管的第一端与所述第七晶体管的第一端以及所述负载电阻的第二端耦接，所述第八晶体管的第二端与所述第五晶体管的第一端耦接。

在本公开的一种示例性实施例中，所述第五晶体管至所述第八晶体管均为PMOS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、级联放大输出模块和基线恢复模块，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噪声、低等效输入阻抗的特性；另一方面，通过配置电流放大模块，提高了信噪比；再一方面，通过配置级联放大输出模块，对电流转电压模块输出的电压信号进行放大，进一步提高了信噪比；又一方面，通过配置基线恢复模块，使其与电流转电压模块、级联放大输出模块一起构成了负反馈结构，起到了稳定输出基线电压的作用。此外，基线恢复模块消除了电流前置放大器的直流失调，使得可以精确地设定后续信号处理电路的甄别阈值，保证了对APD传感器光生信号的准确甄别。

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示例性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、级联放大输出模块4和基线恢复模块5。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；级联放大输出模块4的输入端可以与电流转电压模块3的输出端耦接，用于接收来自电流转电压模块3的电压信号，并且对该电压信号进行放大；基线恢复模块5的输入端与级联放大输出模块4的输出端耦接，基线恢复模块5的输出端与电流转电压模块3的输入端耦接，用于与电流转电压模块3、级联放大输出模块4一起构成负反馈结构。

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；通过配置级联放大输出模块4，进一步提高了信噪比；通过配置基线恢复模块5，稳定了输出基线电压。

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包括偏置电流源I_B1、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包括负载电阻R₁和第四晶体管M₄；级联放大输出模块4包括第一运算放大器A₁和第二运算放大器A₂；基线恢复模块5包括第三运算放大器A₃、可控电流源I_B2以及由第五晶体管M₅、第六晶体管M₆、第七晶体管M₇和第八晶体管M₈构成的高精度电流镜。

在本示例性实施方式中，第一晶体管M₁至第四晶体管M₄可以是NMOS晶体管，第五晶体管M₅至第八晶体管M₈可以是PMOS晶体管。然而，本公开不限于此，可替代地，还可以使用能够实现相同功能的电子元件，本示例性实施方式中对此不做特殊限定。

在本示例性实施方式中，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，这三个端可以分别对应NMOS晶体管的栅极、源极和漏极。类似地，第五晶体管M₅至第八晶体管M₈均具有控制端、第一端和第二端，这三个端可以分别对应PMOS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，第一晶体管M₁的控制端接收第一偏置电压V_B1，第一晶体管M₁的第二端与偏置电流源I_B1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I_S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的控制端与偏置电流源I_B1耦接于第二节点n2。

在电流转电压模块3中，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的控制端接收第二偏置电压V_B2，第四晶体管M₄的第二端与负载电阻R₁的第一端耦接于第四节点n4，负载电阻R₁的第二端接收电源电压VDD。

在级联放大输出模块4中，第一运算放大器A₁的输入端耦接于第四节点n4，第二运算放大器A₂的输入端与第一运算放大器A₁的输出端耦接，第二运算放大器A₂的输出端与电流前置放大器的输出信号的输入端OUT耦接于第五节点n5。

在基线恢复模块5中，第三运算放大器A₃的同相输入端接收参考电压V_REF，第三运算放大器A₃的反相输入端耦接于第五节点n5；可控电流源I_B2的控制端与第三运算放大器A₃的输出端耦接，可控电流源I_B2的第二端接地；第五晶体管M₅的控制端与可控电流源I_B2的第一端耦接，第五晶体管M₅的第二端耦接于第三节点n3；第六晶体管M₆的控制端与第六晶体管M₆的第二端以及可控电流源I_B2的第一端耦接；第七晶体管M₇的控制端与第七晶体管M₇的第二端以及第六晶体管M₆的第一端耦接；第八晶体管M₈的控制端与第七晶体管M₇的控制端耦接，第八晶体管M₈的第一端与第七晶体管M₇的第一端以及负载电阻R₁的第二端耦接，第八晶体管M₈的第二端与第五晶体管M₅的第一端耦接。

接下来，结合附图对根据本示例性实施方式的电流前置放大器进行说明。

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I_B1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R_{in_amp}由第一晶体管M₁和第二晶体管M₂决定，等效输入阻抗R_{in_amp}的表达式为：

$R_{in\_amp}\&ap;\frac{1}{g_{m1}{g}_{m2}{r}_{o1}}---\left(1\right)$

其中，g_m1为第一晶体管M₁的跨导，g_m2为第二晶体管M₂的跨导，r_o1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R_{in_NINO}的表达式为：

$R_{in\_NINO}\&ap;\frac{1}{g_{m\_in}}---\left(2\right)$

其中，g_{m_in}为NINO芯片电流前置放大器的输入晶体管M_in的跨导。

对比表达式(1)和(2)可知，在g_m1＝g_{m_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R_{in_amp}是NINO芯片电流前置放大器的等效输入阻抗R_{in_NINO}的1/g_m2r_o1。也就是说，本公开可以采用较小的g_m1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M_in决定，在这种情况下，当R_{in_amp}＝R_{in_NINO}时，g_m1＜g_{m_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，还可以通过其他电学元件的组合来构成具有相同功能的结构。在电流信号I_S通过电流放大模块2之后，该电流信号I_S可以被放大n倍，提高了信噪比。

在电流转电压模块3中，M₃被配置成一具有较低输入阻抗的共栅管，第四晶体管M₄和第五晶体管M₅的尺寸较大，具有加大的漏端寄生电容，这实现了负载电阻R₁与第四晶体管M₄的第二端及第五晶体管M₅的第二端的隔离，进而提高了电路的工作速度。被放大的电流信号n×I_S流经负载电阻R₁，电流信号被转换成电压信号。

在级联放大输出模块4中，第一运算放大器A₁和第二运算放大器A₂均具有低增益高带宽的特性，由电流转电压模块3输出的电压信号经第一运算放大器A₁和第二运算放大器A₂连续放大后进一步提高了信噪比，输出可以被后续信号处理电路有效甄别的电压信号V_OUT。

在基线恢复模块5中，第三运算放大器A₃用于检测电压信号V_OUT与参考电压V_REF的差值，利用第三运算放大器A₃产生的比较结果来控制可控电流源I_B2的电流。可控电流源I_B2输出的电流经由第五晶体管M₅、第六晶体管M₆、第七晶体管M₇和第八晶体管M₈构成的高精度电流镜反馈给电流转电压模块3，以调节电流转电压模块3的静态工作电流，最终使得电压信号V_OUT稳定在参考电压V_REF，从而实现基线恢复的功能。具体的基线恢复原理如下：当电压信号V_OUT变大时，可控电流源I_B2产生的电流变小，即流过负载电阻R₁的电流变小，负载电阻R₁两端的电压变小，第一运算放大器A₁输出端的电压变大，由此，电压信号V_OUT变小。反之，当电压信号V_OUT变小时，可控电流源I_B2产生的电流变大，即流过负载电阻R₁的电流变大，负载电阻R₁两端的电压变大，第一运算放大器A₁输出端的电压变小，由此，电压信号V_OUT变大。因此，电压信号V_OUT的直流电平始终稳定在参考电压V_REF。此外，为了不影响交流信号的输出，第三运算放大器A₃应当具有非常低的宽带。基线恢复电路消除了电流前置放大器的直流失调，使得可以精确地设定电流前置放大器外部的甄别器的甄别阈值，保证了对APD传感器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6，甄别器6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6的反相输入端可以与电流前置放大器的输出端耦接，甄别器6的同相输入端可以耦接于另一参考电源电压V’_REF的输入端。另外，甄别器6的输出端OUT’可以与后续信号处理电路中用于接收甄别器6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，并且能够适用于大寄生电容的传感器，使得该时间分辨探测装置可以应用到低噪声且适用于大寄生电容的传感器的要求的实验中。

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 (10)

1.一种电流前置放大器，其特征在于，包括：

电流输入模块，用于接收电流信号并输出；

电流放大模块，用于接收所述电流输入模块输出的所述电流信号并且对所述电流信号进行放大后输出；

电流转电压模块，用于接收所述电流放大模块输出的电流信号以及调节电流信号，并且将接收到的所有电流信号转换成电压信号后输出；

级联放大输出模块，用于接收所述电流转电压模块输出的所述电压信号并且对所述电压信号进行放大，以提供输出信号；以及

基线恢复模块，用于接收所述输出信号并根据所述输出信号与参考电压的比较结果向所述电流放大模块输出所述调节电流信号。

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偏置电流源耦接，所述第二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。

3.根据权利要求2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的输入端耦接。

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所述电流放大模块的输出端耦接；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级联放大输出模块的输入端耦接，所述负载电阻的第二端接收电源电压。

5.根据权利要求2至4中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。

6.根据权利要求1所述的电流前置放大器，其特征在于，所述级联放大输出模块包括：

第一运算放大器，所述第一运算放大器的输入端与所述电流转电压模块的输出端耦接；以及

第二运算放大器，所述第二运算放大器的输入端与所述第一运算放大器的输出端耦接，所述第二运算放大器的输出端输出所述输出信号。

7.根据权利要求4所述的电流前置放大器，其特征在于，所述基线恢复模块包括：

第三运算放大器，所述第三运算放大器的同相输入端接收参考电压，所述第三运算放大电路的反相输入端与所述级联放大输出模块的输出端耦接；

可控电流源，所述可控电流源的控制端与所述第三运算放大器的输出端耦接，所述可控电流源的第二端接地；

第五晶体管，所述第五晶体管的控制端与所述可控电流源的第一端耦接，所述第五晶体管的第二端与所述第四晶体管的第一端耦接；

第六晶体管，所述第六晶体管的控制端与所述第六晶体管的第二端以及所述可控电流源的第一端耦接；

第七晶体管，所述第七晶体管的控制端与所述第七晶体管的第二端以及所述第六晶体管的第一端耦接；以及

第八晶体管，所述第八晶体管的控制端与所述第七晶体管的控制端耦接，所述第八晶体管的第一端与所述第七晶体管的第一端以及所述负载电阻的第二端耦接，所述第八晶体管的第二端与所述第五晶体管的第一端耦接。

8.根据权利要求7所述的电流前置放大器，其特征在于，所述第五晶体管至所述第八晶体管均为PMOS晶体管。

9.一种时间分辨读出电路，其特征在于，包括权利要求1至8中任一项所述的电流前置放大器。

10.一种时间分辨探测装置，其特征在于，包括权利要求9所述的时间分辨读出电路。