CN106656060A - 像素阵列探测器及该像素阵列探测器的模拟电路 - Google Patents

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Abstract

本公开是关于一种像素阵列探测器及该像素阵列探测器的模拟电路，该模拟电路包括：前置接收模块，用于接收电流信号和一复位信号并且根据所述电流信号和所述复位信号输出第一输出信号；甄别模块，用于接收所述第一输出信号，并且对所述第一输出信号进行甄别以得到第二输出信号并输出所述第二输出信号；以及复位模块，用于接收所述第二输出信号，并对所述第二输出信号进行处理以输出脉冲宽度比所述第二输出信号宽的第三输出信号，并且根据所述第三输出信号与一全局复位信号向所述前置接收模块输出所述复位信号。本公开提高了像素阵列探测器的计数率。

Description

像素阵列探测器及该像素阵列探测器的模拟电路
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，涉及一种像素阵列探测器及该像素阵列探测器的模拟电路。
背景技术
半导体探测单元(如硅光二极管等)阵列与电子学专用集成电路芯片通过铟球倒装焊封装为一体，构成二维像素像素阵列探测器。该类探测器广泛地应用于同步辐射生物大分子晶体学实验、同步辐射小角散射实验等领域。
二维像素像素阵列探测器的单元电路通常分为模拟电路与数字电路两部分，模拟电路主要包括低噪声前置放大器及甄别器，数字电路主要包括计数器及其它逻辑控制电路，整个电路工作于单光子计数模式。首先，低噪声前置放大器可以将单个入射光子信号进行低噪声放大，之后通过甄别器将幅度低于甄别器阈值的噪声信号剔除，从而获得无噪声的光子信号。然后计数器对过阈信号进行计数，经过一段时间后，在逻辑控制电路的控制下输出计数器中记录的过阈事例数。各像素单元的计数作为图像亮度，像素单元的位置作为对应图像点的二维位置，这样所读出数据可以形成一幅图像。
目前，现有二维像素像素阵列探测器的代表为PILATUS探测器及MEDIPIX探测器，它们像素单元的模拟电路分别如图1和图2所示。当接收到入射光子信号后，PILATUS探测器像素单元的模拟电路通过反馈电阻Rf对积分电容Cf进行放电，低噪声前置放大器的输出信号脉宽受限于放电时间常数Rf×Cf。当接收到入射光子信号后，MEDIPIX探测器以恒定电流Ikrum放电，低噪声前置放大器的输出信号脉宽受限于放电电流Ikrum的大小。为了收集到足够的信号电荷，反馈电阻Rf通常大于107Ω，而放电电流Ikrum通常小于20nA，因此这两种探测器像素单元的计数率小于106/s。这限制了PILATUS探测器和MEDIPIX探测器在高计数率(像素单元的计数率>107/s)要求实验中的应用。
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像素阵列探测器及该像素阵列探测器的模拟电路，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，提供一种模拟电路，应用于像素阵列探测器，包括：
前置接收模块，用于接收电流信号和一复位信号并且根据所述电流信号和所述复位信号输出第一输出信号；
甄别模块，用于接收所述第一输出信号，并且对所述第一输出信号进行甄别以得到第二输出信号并输出所述第二输出信号；以及
复位模块，用于接收所述第二输出信号，并对所述第二输出信号进行处理以输出脉冲宽度比所述第二输出信号宽的第三输出信号，并且根据所述第三输出信号与一全局复位信号向所述前置接收模块输出所述复位信号。
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，所述前置接收模块包括：
运算放大器，所述运算放大器的正向输入端接收一参考信号，所述运算放大器的负向输入端接收所述电流信号，所述运算放大器的输出端输出所述第一输出信号；
积分电容，所述积分电容的两端分别与所述运算放大器的所述负向输入端和所述运算放大器的所述输出端连接；以及
复位晶体管，所述复位晶体管的第一端和第二端分别与所述积分电容的两端连接，并且所述复位晶体管的控制端接收所述复位信号。
在本公开的一种示例性实施例中，所述复位晶体管为MOS晶体管。
在本公开的一种示例性实施例中，所述甄别模块包括：
比较器，用于接收所述第一输出信号和一甄别阈值，并且将所述第一输出信号与所述甄别阈值进行比较，并根据比较结果输出所述第二输出信号。
在本公开的一种示例性实施例中，所述甄别模块还包括：
局部阈值调节器，用于对一局部阈值进行调节并输出；
甄别阈值生成器，用于接收经调解的所述局部阈值并结合一全局阈值生成所述甄别阈值。
在本公开的一种示例性实施例中，所述复位模块包括：
单稳态电路，用于接收所述第二输出信号，并且将所述第二输出信号扩展为脉冲宽度比所述第二输出信号宽的第三输出信号并输出所述第三输出信号；
或门，所述或门的两个输入端分别接收所述第三输出信号和所述全局复位信号，并根据所述第三输出信号和所述全局复位信号向所述前置接收模块输出所述复位信号。
在本公开的一种示例性实施例中，所述全局复位信号中任一脉冲的下降沿到其下一个脉冲的上升沿之间的时间间隔Tint与发送所述电流信号的传感器的暗电流Idark、所述积分电容Cf及所述甄别阈值Vth的关系满足
在本公开的一种示例性实施例中，所述第三输出信号为所述模拟电路的输出信号。
根据本公开的一个方面，提供一种像素阵列探测器，所述像素阵列探测器包括上述任意一项所述的模拟电路。
在本公开的一些实施例所提供的技术方案中，通过模拟电路中的复位模块向前置接收模块输出复位信号，缩短了前置接收模块的输出信号的脉冲宽度，提高了像素阵列探测器的计数率，另外，甄别模块可以将输入信号中的噪声信号剔除，确保了信号传输的有效性，此外，复位模块通过将输出信号的脉冲宽度扩大，在能够得到足够的复位时间的同时，有助于后续电路接收所述模拟电路输出的信号。
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示出了现有技术中PILATUS探测器的模拟电路的示意图；
图2示出了现有技术中MEDIPIX探测器的模拟电路的示意图；
图3示意性地示出了根据本公开的示例性实施方式的模拟电路的模块框图；
图4示出了根据本公开的示例性实施方式的模拟电路的示意图；以及
图5示意性示出了根据本公开的示例性实施方式的像素阵列探测器的模拟电路的各节点的波形图。
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。
图3示意性地示出了根据本公开的示例性实施方式的模拟电路的模块框图。参考图3，根据本公开的示例性实施方式的穆尼电路可以包括前置接收模块1、甄别模块2和复位模块3。其中：
前置接收模块1可以是接收光子的传感器与像素单元之间的接口电路，用于接收电流信号和一复位信号并且根据接收到的电流信号和复位信号输出第一输出信号。
甄别模块2可以用于接收前置接收模块1输出的第一输出信号，并且可以对第一输出信号进行甄别，以将信号的脉冲幅值低于一甄别阈值的噪声信号剔除，从而生成第二输出信号并输出第二输出信号。
复位模块3可以用于接收甄别模块2输出的第二输出信号，并对第二输出信号进行处理以输出脉冲宽度比第二输出信号宽的第三输出信号，并且根据所述第三输出信号与一全局复位信号向前置接收模块1输出所述复位信号。
在本公开的一些实施例所提供的技术方案中，通过模拟电路中的复位模块向前置接收模块输出复位信号，缩短了前置接收模块的输出信号的脉冲宽度，提高了像素阵列探测器的计数率，另外，甄别模块可以将输入信号中的噪声信号剔除，确保了信号传输的有效性，此外，复位模块通过将输出信号的脉冲宽度扩大，在能够得到足够的复位时间的同时，有助于后续电路接收所述模拟电路输出的信号。
然而，本示例性实施方式还可以包括有助于提高像素阵列探测器的计数率的其他模块，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4对根据本公开的示例性实施方式的模拟电路进行详细地描述。
如图4所示，前置接收模块1可以包括一运算放大器、积分电容Cf以及复位晶体管Mreset。其中，该运算放大器的正向输入端接收一参考信号Vref，该运算放大器的负向输入端接收一电流信号，其中，所述电流信号可以来自用于感测光子的传感器，在本公开的示例性实施方式中，感测光子的传感器可以是雪崩光电二极管传感器，然而，本公开还可以包括其他具有良好感测光子能力的传感器，另外，该运算放大器的输出端输出第一输出信号Vo1；积分电容Cf的两端分别与运算放大器的负向输入端和运算放大器的输出端连接；复位晶体管Mreset的第一端和第二端分别与积分电容Cf的两端连接，并且复位晶体管的控制端接收复位信号Vo4，在本公开的示例性实施方式中，复位晶体管Mreset可以是MOS晶体管，但不限于此，本公开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。
甄别模块2可以包括一比较器，该比较器用于接收第一输出信号Vo1和一甄别阈值，并且将第一输出信号Vo1与该甄别阈值Vth进行比较，并根据比较结果输出第二输出信号Vo2。
根据本公开的一些实施例，该甄别阈值Vth可以由一全局阈值和一局部阈值确定，其中，全局阈值为一固定值，而局部阈值可以发生变化。因此，可以通过对局部阈值进行调节以实现甄别阈值Vth的调节。鉴于此，甄别模块2还可以包括局部阈值调节器和甄别阈值生成器，结合局部阈值的调节结果与全局阈值可以生成所需的甄别阈值Vth。
复位模块3可以包括一单稳态电路和一或门。其中，该单稳态电路用于接收甄别模块2输出的第二输出信号Vo2，并且将第二输出信号Vo2扩展为脉冲宽度比第二输出信号Vo2宽的第三输出信号Vo3并输出第三输出信号Vo3，根据本公开的一些实施例，第三输出信号Vo3即为模拟电路的输出信号；或门的两个输入端分别接收第三输出信号Vo3和全局复位信号Vreset，并且根据或门的逻辑运算的结果向前置接收模块1输出复位信号Vo4，结合上面的描述，复位信号Vo4输出至复位晶体管Mreset的控制端。
此外，由于发送电流信号的传感器会产生暗电流，而暗电流会对真实光子信号的甄别造成影响。为了解决该问题，全局复位信号Vreset中任一脉冲的下降沿到其下一个脉冲的上升沿之间的时间间隔Tint与传感器的暗电流Idark、积分电容Cf及甄别阈值Vth的关系应当满足
接下来，将结合图5对图4所示的模拟电路的工作过程进行说明。
参考图5，首先，在全局复位信号Vreset跳变为高电平时，复位信号Vo4跟随全局复位信号Vreset跳变为高电平，此时，复位晶体管Mreset导通，积分电容Cf被复位，前置接收模块1的输出信号(即，第一输出信号)Vo1等于参考信号Vref；随后，复位信号Vo4跟随全局复位信号Vreset跳变为低电平，传感器的暗电流Idark开始对积分电容Cf进行积分，第一输出信号Vo1从参考信号Vref开始缓慢降低，当有光子信号入射后，传感器产生的电流信号可以使第一输出信号Vo1快速下降，当第一输出信号Vo1下降到Vref-Vth时，在甄别模块2的输出端输出一窄脉冲的第二输出信号Vo2；接下来，该窄脉冲的第二输出信号Vo2在通过复位模块3中的单稳态电路后，可以生成脉冲宽度比第二输出信号Vo2大的第三输出信号Vo3(即，模拟电路的输出信号)，随后，第三输出信号Vo3可以被传送至阵列传感器的数字电路部分以对光子信号进行计数，或者第三输出信号Vo3可以被传送至其他处理模块以进行进一步处理，本示例性实施方式中对此不做特殊限定。同时，由于全局复位信号Vreset处于低电平状态，第三输出信号Vo3与全局复位信号Vreset经或门处理后，复位信号Vo4跟随第三输出信号Vo3输出一较宽的脉冲信号，用于对积分电容Cf进行复位操作。至此，根据本公开的示例性实施方式的模拟电路完成了对接收到的一个光子信号的处理，同时进入下一个光子信号的处理周期。
从图5中还可以看出，在接收到多个光子信号之后，全局复位信号Vreset可以再次跳变为高电平以对积分电容Cf进行复位，此时，模拟电路完成了一个帧信号的处理过程，接下来，随着全局复位信号Vreset再次跳变为低电平，模拟电路将进行下一个帧信号的处理过程。
此外，为了消除传感器的暗电流对模拟电路造成的影响，全局复位信号Vreset中任一脉冲的下降沿到其下一个脉冲的上升沿之间的时间间隔Tint应当满足
进一步的，本示例实施方式中还提供了一种像素阵列探测器，该像素阵列探测器可以包括上述模拟电路。该像素阵列探测器具有计数率高的特点，能够较好地满足相应实验的要求。
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)

1.一种模拟电路，应用于像素阵列探测器，其特征在于，包括：
前置接收模块，用于接收电流信号和一复位信号并且根据所述电流信号和所述复位信号输出第一输出信号；
甄别模块，用于接收所述第一输出信号，并且对所述第一输出信号进行甄别以得到第二输出信号并输出所述第二输出信号；以及
复位模块，用于接收所述第二输出信号，并对所述第二输出信号进行处理以输出脉冲宽度比所述第二输出信号宽的第三输出信号，并且根据所述第三输出信号与一全局复位信号向所述前置接收模块输出所述复位信号。
2.根据权利要求1所述的模拟电路，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所述的模拟电路，其特征在于，所述前置接收模块包括：
运算放大器，所述运算放大器的正向输入端接收一参考信号，所述运算放大器的负向输入端接收所述电流信号，所述运算放大器的输出端输出所述第一输出信号；
积分电容，所述积分电容的两端分别与所述运算放大器的所述负向输入端和所述运算放大器的所述输出端连接；以及
复位晶体管，所述复位晶体管的第一端和第二端分别与所述积分电容的两端连接，并且所述复位晶体管的控制端接收所述复位信号。
4.根据权利要求3所述的模拟电路，其特征在于，所述复位晶体管为MOS晶体管。
5.根据权利要求3所述的模拟电路，其特征在于，所述甄别模块包括：
比较器，用于接收所述第一输出信号和一甄别阈值，并且将所述第一输出信号与所述甄别阈值进行比较，并根据比较结果输出所述第二输出信号。
6.根据权利要求5所述的模拟电路，其特征在于，所述甄别模块还包括：
局部阈值调节器，用于对一局部阈值进行调节并输出；
甄别阈值生成器，用于接收经调解的所述局部阈值并结合一全局阈值生成所述甄别阈值。
7.根据权利要求5所述的模拟电路，其特征在于，所述复位模块包括：
单稳态电路，用于接收所述第二输出信号，并且将所述第二输出信号扩展为脉冲宽度比所述第二输出信号宽的第三输出信号并输出所述第三输出信号；
或门，所述或门的两个输入端分别接收所述第三输出信号和所述全局复位信号，并根据所述第三输出信号和所述全局复位信号向所述前置接收模块输出所述复位信号。
8.根据权利要求7所述的模拟电路，其特征在于，所述全局复位信号中任一脉冲的下降沿到其下一个脉冲的上升沿之间的时间间隔Tint与发送所述电流信号的传感器的暗电流Idark、所述积分电容Cf及所述甄别阈值Vth的关系满足
9.根据权利要求7所述的模拟电路，其特征在于，所述第三输出信号为所述模拟电路的输出信号。
10.一种像素阵列探测器，其特征在于，所述像素阵列探测器包括权利要求1至9中任一项所述的模拟电路。
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