CN113595510A - 一种低噪声电荷灵敏前置放大器及减小输入电容的方法 - Google Patents

一种低噪声电荷灵敏前置放大器及减小输入电容的方法 Download PDF

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孙向明
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Abstract

本发明涉及核仪器电子技术，具体涉及一种低噪声电荷灵敏前置放大器及减小输入电容的方法，该放大器包括包括电荷收集电极、屏蔽层、Guardring、放大器和嵌位二极管D；电荷收集电极、屏蔽层、嵌位二极管D均与放大器连接。该放大器能够通过屏蔽技术有效的减小探测器对地电容、输入走线和输入MOS管的寄生电容，从而减小了电荷灵敏前置放大器的输入电容，最终输入总电容为探测器自身对地的电容，能够有效的减小电荷灵敏前置放大器的输入电容，进而提高ENC性能。

Description

一种低噪声电荷灵敏前置放大器及减小输入电容的方法
技术领域
本发明属于核仪器电子技术领域，特别涉及一种低噪声电荷灵敏前置放大器及减小输入电容的方法。
背景技术
前置放大器广泛应用于核物理领域探测器输出的微弱信号的检测与处理，用来提高整个系统的信噪比，减小探测器输出的信号受到外界干扰。目前用于这种微弱信号检测与处理的前置放大器包括电压灵敏、电流灵敏和电荷灵敏三种类型，其中电荷灵敏前置放大器由于具有增益稳定、信噪比高等良好性能被广泛应用，信噪比是电荷灵敏前置放大器的关键指标，信噪比随着探测器输入电容的增加而增加。
传统的电荷灵敏前置放大器如图1所示，IN为探测器输入端，Cd为探测器对地电容，Rf和Cf分别为反馈电阻和电容，OUT为输出端，VREF提供基准电压。反馈电容Cf对探测器产生的电荷Q进行积分，反馈电阻Rf作用为泄放电荷，放大器amp的开环增益设为A，在A*Cf>>Cd条件下，传统的电荷灵敏前置放大器的输出电压为VOUT＝Q/Cf，其输入等效电荷噪声ENC表达式如下：
Figure BDA0003179586730000011
其中，Rs是等效串联噪声电阻，ts是成形时间，Kf是输入管1/f噪声系数，a1、a2、a3是与成形电路有关的噪声指数。
要获得低的(等效噪声电荷)ENC，需要小的探测器输入电容Cd，要获得高增益，需要小的反馈电容Cf。然而探测器输入电容与其电荷收集电极大小息息相关，以及受到走线和输入MOS管的寄生电容影响，而且反馈电容Cf太小会导致一致性变差。
传统的电荷灵敏前置放大器输入电容由探测器对地电容、输入走线和输入MOS管的寄生电容的总和，其无法减小或者消除这三种电容，而且传统的电荷灵敏前置放大器要想改善ENC性能，需要将Cf减小，然而会增大不同像素间或不同芯片间的Cf大小差异，最终导致不同像素间或不同芯片间的电荷转换增益不一致。
发明内容
针对背景技术存在的问题，本发明提供一种低噪声电荷灵敏前置放大器及减小输入电容的方法。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种低噪声电荷灵敏前置放大器，包括电荷收集电极、屏蔽层、Guardring、放大器和嵌位二极管D；电荷收集电极、屏蔽层、嵌位二极管D均与放大器连接。
在上述低噪声电荷灵敏前置放大器中，电荷收集电极为六边形，底层金属为屏蔽层。
在上述低噪声电荷灵敏前置放大器中，放大器包括第一场效应晶体管M1、第二场效应晶体管M2、第三场效应晶体管M3、第四场效应晶体管M4、第五场效应晶体管M5、第六场效应晶体管M6、第七场效应晶体管M7、第八场效应晶体管M8、第九场效应晶体管M9、第十场效应晶体管M10、第十一场效应晶体管M11、第一电容Cs、第二电容Cc；电荷收集电极与第一场效应晶体管M1的栅极相接，第一场效应晶体管M1的源极与第七场效应晶体管M7的漏极、第三场效应晶体管M3的源极和第一电容Cs的一个极板相接，第一场效应晶体管M1的漏极与第二场效应晶体管M2的源极和第三场效应晶体管M3的栅极相接，第二场效应晶体管M2的栅极与第三场效应晶体管M3的漏极和第四场效应晶体管M4的漏极相接，第二场效应晶体管M2的漏极与第九场效应晶体管M9的漏极、第十场效应晶体管M10的源极和负载电容CL的一个极板相接，第九场效应晶体管M9的栅极与第一电容Cs和第二电容Cc的一个极板相接，第九场效应晶体管M9的源极、第四场效应晶体管M4源极、第六场效应晶体管M6源极、第二电容Cc的一个极板、负载电容CL与地相接，第四场效应晶体管M4的栅极与第六场效应晶体管M6的栅极、漏极和第五场效应晶体管M5的漏极相接，第七场效应晶体管M7和第五场效应晶体管M5的栅极连接在一起并由VBIAS1提供偏置电压，第十场效应晶体管M10漏极与第十一场效应晶体管M11漏极相接，第十场效应晶体管M10栅极由VBIAS3提供偏置电压，第十一场效应晶体管M11的栅极由VBIAS2提供偏置电压，第七场效应晶体管M7、第五场效应晶体管M5和第十一场效应晶体管M11的源极连接到电源AVDD，嵌位二极管D的阴极连接到第一场效应晶体管M1的栅极，嵌位二极管D的阳极连接到嵌位电压VCLAMP；屏蔽层连接到第一场效应晶体管M1的源极或漏极。
在上述低噪声电荷灵敏前置放大器中，第一场效应晶体管M1、第二场效应晶体管M2、第三场效应晶体管M3、第五场效应晶体管M5、第七场效应晶体管M7、第十一场效应晶体管M11为P型场效应晶体管；第四场效应晶体管M4、第二场效应晶体管M6、第三场效应晶体管M9、第十场效应晶体管M10为N型场效应晶体管。
一种减小低噪声电荷灵敏前置放大器输入电容的方法，第一场效应晶体管M1、第二场效应晶体管M2和第三场效应晶体管M3作为放大管；第九场效应晶体管M9作为有源负载管；嵌位二极管D为输入端提供直流偏置电压，并泄放输入端的电荷；第四场效应晶体管M4、第五场效应晶体管M5、第六场效应晶体管M6为第三场效应晶体管M3提供直流偏置电流，第七场效应晶体管M7为第一场效应晶体管M1提供直流偏置电流，第十场效应晶体管M10、第十一场效应晶体管M11为输出结点OUT提供直流偏置电压；第一场效应晶体管M1、第二场效应晶体管M2、第七场效应晶体管M7、第九场效应晶体管M9支路和第三场效应晶体管M3、第四场效应晶体管M4支路电流恒定，则第一场效应晶体管M1和第三场效应晶体管M3的栅极与源极电压差保持不变，输入管第一场效应晶体管M1的栅极与源极和栅极与漏极的电压差均保持恒定；据密勒效应定理可知，第一场效应晶体管M1的栅源间寄生电容和栅漏间寄生电容对输入端电容贡献为零，从而减小了探测器的输入电容；通过将屏蔽层连接到放大器输入管第一场效应晶体管M1的源极，将电荷收集电极与屏蔽层之间的耦合电容转化成第一场效应晶体管M1的栅源间电容，使得第一场效应晶体管M1源端和漏端电势能够跟随其栅极电势，则第一场效应晶体管M1的栅极与源端或者漏端的耦合电容对放大器的输入总电容贡献为零，进而第一场效应晶体管M1和电荷收集电极的寄生电容对输入总电容的贡献为零。
与现有技术相比，本发明电荷灵敏前置放大器的输入管源端和漏端电势能够跟随其栅极电势，根据密勒效应定理可知，输入管的栅极与源端或者漏端的耦合电容不贡献到输入总电容，进而输入管的寄生电容对输入总电容的贡献为零，通过屏蔽技术将探测器与输入管之间的连接走线使用底层金属进行屏蔽，屏蔽线连接到输入管的源端或者漏端，进而消除探测器与输入管之间的连接走线对输入总电容的贡献，最终输入总电容为探测器自身对地的电容，能够有效的减小电荷灵敏前置放大器的输入电容。甚至，可以通过屏蔽技术用底层金属将探测器收集电荷电极进行屏蔽，屏蔽线同样连接到输入管的源端或者漏端，进一步减小探测器对地电容，最终改善ENC性能。
附图说明
图1为现有技术电荷灵敏前置放大器；
图2为本发明一个实施例低噪声电荷灵敏前置放大器结构图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
本实施例的目的是解决电荷灵敏前置放大器大输入电容恶化ENC的问题。电荷灵敏前置放大器的ENC与其输入电容成正比关系，输入电容由探测器对地电容、输入走线和输入MOS管的寄生电容的总和，针对传统的电荷灵敏前置放大器无法减小这三种电容的问题，本实施例提出了一种低噪声电荷灵敏前置放大器，能够通过屏蔽技术有效的减小探测器对地电容、输入走线和输入MOS管的寄生电容，从而减小了电荷灵敏前置放大器的输入电容，进而提高ENC性能。
本实施例是通过以下技术方案来实现的，一种低噪声电荷灵敏前置放大器，包括电荷收集电极、屏蔽层、Guardring、放大器和嵌位二极管组成，其中放大器包括P型场效应晶体管：第一场效应晶体管M1、第二场效应晶体管M2、第三场效应晶体管M3、第五场效应晶体管M5、第七场效应晶体管M7、第十一场效应晶体管M11，N型场效应晶体管：第四场效应晶体管M4、第六场效应晶体管M6、第九场效应晶体管M9、第十场效应晶体管M10和第一电容Cs、第二电容Cc组成，电荷收集电极和放大器输入管第一场效应晶体管M1的栅极相接，第一场效应晶体管M1的源极与负载晶体管第一场效应晶体管七M7的漏极、第三场效应晶体管M3的源极和第一电容Cs的一个极板相接，第一场效应晶体管M1的漏极与第二场效应晶体管M2的源极和第三场效应晶体管M3的栅极相接，第二场效应晶体管M2的栅极与第三场效应晶体管M3的漏极和第四场效应晶体管M4的漏极相接，第二场效应晶体管M2的漏极与第九场效应晶体管M9的漏极、第十场效应晶体管M10的源极和负载电容CL一个极板相接，第九场效应晶体管M9的栅极与第一电容Cs和第二电容Cc一个极板相接，第九场效应晶体管M9的源极、第四场效应晶体管M4源极、第六场效应晶体管M6源极、第二电容Cc一个极板、负载电容CL与地相接，第四场效应晶体管M4的栅极与第六场效应晶体管M6的栅极、漏极和第五场效应晶体管M5的漏极相接，第七场效应晶体管M7和第五场效应晶体管M5的栅极连接在一起并由VBIAS1提供偏置电压，第十场效应晶体管M10漏极与第十一场效应晶体管M11漏极相接，第十场效应晶体管M10栅极由VBIAS3提供偏置电压，第十一场效应晶体管M11的栅极由VBIAS2提供偏置电压，第七场效应晶体管M7、第五场效应晶体管M5和第十一场效应晶体管M11的源极连接到电源AVDD，嵌位二极管D的阴极连接到输入管第一场效应晶体管M1的栅极，嵌位二极管D的阳极连接到嵌位电压VCLAMP。
如图2所示，本实施例电荷灵敏前置放大器的输入管源端和漏端电势能够跟随其栅极电势，通过屏蔽技术减小输入总电容，第一场效应晶体管M1、第二场效应晶体管M2、第三场效应晶体管M3为放大管，第九场效应晶体管M9为有源负载管，嵌位二极管D为输入端提供直流偏置电压，并泄放输入端的电荷，第四场效应晶体管M4、第五场效应晶体管M5、第六场效应晶体管M6为放大管第三场效应晶体管M3提供直流偏置电流，第七场效应晶体管M7为输入管第一场效应晶体管M1提供直流偏置电流，第十场效应晶体管M10、第十一场效应晶体管M11为输出结点OUT提供直流偏置电压。由于第一场效应晶体管M1、第二场效应晶体管M2、第七场效应晶体管M7、第九场效应晶体管M9支路和第三场效应晶体管M3、第四场效应晶体管M4支路都具有恒定的电流，因此，第一场效应晶体管M1和第三场效应晶体管M3的栅极与源极电压差保持不变，即输入管第一场效应晶体管M1的栅极与源极和栅极与漏极的电压差都保持恒定。根据密勒效应定理可知，输入管第一场效应晶体管M1的栅源间寄生电容和栅漏间寄生电容对输入端电容贡献为零，从而减小了探测器的输入电容。六边形电荷收集电极与晶圆衬底之间存在耦合电容，如果使用底层金属对电荷收集电极进行屏蔽，同时将该屏蔽层连接到放大器输入管第一场效应晶体管M1的源极或漏极，如图2左边六边形屏蔽层所示，将电荷收集电极与屏蔽层之间的耦合电容转化成了放大器输入管第一场效应晶体管M1的栅源间电容。本实施例电荷灵敏前置放大器的输入管源端和漏端电势能够跟随其栅极电势，根据密勒效应定理可知，输入管的栅极与源端或者漏端的耦合电容不贡献到输入总电容，进而输入管和电荷收集电极的寄生电容对输入总电容的贡献为零，因此，本实施例实现了减小探测器输入电容的目标，有利于实现电荷灵敏前置放大器低噪声的设计。
本实施例通过放大器输入管的源极和漏极电势都跟随栅极特性，能够利用屏蔽技术和密勒效应来减小放大器的输入电容，进而改善等效输入电荷噪声。
以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种低噪声电荷灵敏前置放大器，其特征在于：包括电荷收集电极、屏蔽层、Guardring、放大器和嵌位二极管(D)；电荷收集电极、屏蔽层、嵌位二极管(D)均与放大器连接。
2.如权利要求1所述低噪声电荷灵敏前置放大器，其特征在于：电荷收集电极为六边形，底层金属为屏蔽层。
3.如权利要求1所述低噪声电荷灵敏前置放大器，其特征在于：放大器包括第一场效应晶体管(M1)、第二场效应晶体管(M2)、第三场效应晶体管(M3)、第四场效应晶体管(M4)、第五场效应晶体管(M5)、第六场效应晶体管(M6)、第七场效应晶体管(M7)、第八场效应晶体管(M8)、第九场效应晶体管(M9)、第十场效应晶体管(M10)、第十一场效应晶体管(M11)、第一电容(Cs)、第二电容(Cc)；电荷收集电极与第一场效应晶体管(M1)的栅极相接，第一场效应晶体管(M1)的源极与第七场效应晶体管(M7)的漏极、第三场效应晶体管(M3)的源极和第一电容(Cs)的一个极板相接，第一场效应晶体管(M1)的漏极与第二场效应晶体管(M2)的源极和第三场效应晶体管(M3)的栅极相接，第二场效应晶体管(M2)的栅极与第三场效应晶体管(M3)的漏极和第四场效应晶体管(M4)的漏极相接，第二场效应晶体管(M2)的漏极与第九场效应晶体管(M9)的漏极、第十场效应晶体管(M10)的源极和负载电容(CL)的一个极板相接，第九场效应晶体管(M9)的栅极与第一电容(Cs)和第二电容(Cc)的一个极板相接，第九场效应晶体管(M9)的源极、第四场效应晶体管(M4)源极、第六场效应晶体管(M6)源极、第二电容(Cc)的一个极板、负载电容(CL)与地相接，第四场效应晶体管(M4)的栅极与第六场效应晶体管(M6)的栅极、漏极和第五场效应晶体管(M5)的漏极相接，第七场效应晶体管(M7)和第五场效应晶体管(M5)的栅极连接在一起并由VBIAS1提供偏置电压，第十场效应晶体管(M10)漏极与第十一场效应晶体管(M11)漏极相接，第十场效应晶体管(M10)栅极由VBIAS3提供偏置电压，第十一场效应晶体管(M11)的栅极由VBIAS2提供偏置电压，第七场效应晶体管(M7)、第五场效应晶体管(M5)和第十一场效应晶体管(M11)的源极连接到电源AVDD，嵌位二极管(D)的阴极连接到第一场效应晶体管(M1)的栅极，嵌位二极管(D)的阳极连接到嵌位电压VCLAMP；屏蔽层连接到第一场效应晶体管(M1)的源极或漏极。
4.如权利要求1所述低噪声电荷灵敏前置放大器，其特征在于：第一场效应晶体管(M1)、第二场效应晶体管(M2)、第三场效应晶体管(M3)、第五场效应晶体管(M5)、第七场效应晶体管(M7)、第十一场效应晶体管(M11)为P型场效应晶体管；第四场效应晶体管(M4)、第二场效应晶体管(M6)、第三场效应晶体管(M9)、第十场效应晶体管(M10)为N型场效应晶体管。
5.如权利要求1-4所述低噪声电荷灵敏前置放大器减小输入电容的方法，其特征在于：第一场效应晶体管(M1)、第二场效应晶体管(M2)和第三场效应晶体管(M3)作为放大管；第九场效应晶体管(M9)作为有源负载管；嵌位二极管(D)为输入端提供直流偏置电压，并泄放输入端的电荷；第四场效应晶体管(M4)、第五场效应晶体管(M5)、第六场效应晶体管(M6)为第三场效应晶体管(M3)提供直流偏置电流，第七场效应晶体管(M7)为第一场效应晶体管(M1)提供直流偏置电流，第十场效应晶体管(M10)、第十一场效应晶体管(M11)为输出结点OUT提供直流偏置电压；第一场效应晶体管(M1)、第二场效应晶体管(M2)、第七场效应晶体管(M7)、第九场效应晶体管(M9)支路和第三场效应晶体管(M3)、第四场效应晶体管(M4)支路电流恒定，则第一场效应晶体管(M1)和第三场效应晶体管(M3)的栅极与源极电压差保持不变，输入管第一场效应晶体管(M1)的栅极与源极和栅极与漏极的电压差均保持恒定；据密勒效应定理可知，第一场效应晶体管(M1)的栅源间寄生电容和栅漏间寄生电容对输入端电容贡献为零，从而减小了探测器的输入电容；通过将屏蔽层连接到放大器输入管第一场效应晶体管(M1)的源极，将电荷收集电极与屏蔽层之间的耦合电容转化成第一场效应晶体管(M1)的栅源间电容，使得第一场效应晶体管(M1)源端和漏端电势能够跟随其栅极电势，则第一场效应晶体管(M1)的栅极与源端或者漏端的耦合电容对放大器的输入总电容贡献为零，进而第一场效应晶体管(M1)和电荷收集电极的寄生电容对输入总电容的贡献为零。
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