CN117157969A - 用于电磁辐射传感器的前端电子电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于电磁辐射传感器的前端电子电路(10)，包括：电荷敏感放大器级(100)，具有第一单输入运算跨导放大器(110)和晶体管(120)，该晶体管布置在第一单输入运算跨导放大器(110)的第一反馈路径(101)中；信号整形器级(200)，具有第二单输入运算跨导放大器(210)和有源反馈电路(201)，该有源反馈电路布置在第二单输入运算跨导放大器(210)的第二反馈路径(201)中。前端电子电路(10)还包括控制电路(300)，该控制电路具有第二晶体管(310)。控制电路(300)被配置为用于提供控制信号(Vbias)以根据第二晶体管(310)的栅‑源电压来控制第一反馈路径(101)的晶体管(120)。

Description

用于电磁辐射传感器的前端电子电路
技术领域
本公开涉及一种用于电磁辐射传感器应用、特别是X射线成像应用或光子计数应用(例如多能谱CT(计算机断层扫描，Computed Tomography))的前端电子电路。本公开还涉及一种用于电磁辐射的传感器装置，例如，使用前端电子电路的被实施为光子计数传感器装置的传感器装置。
背景技术
经典CT机和X射线成像产品使用间接转换传感器。间接转换传感器包括闪烁体，用于将X射线转换为可见光，可见光由光电探测器或光电二极管捕获，以响应于撞击在闪烁体材料上的X射线而提供电信号。
与使用间接探测原理的传统计算机断层扫描不同，光子计数计算机断层扫描采用直接转换传感器。直接转换材料现已达到一定程度的成熟并变得流行，这使得将CT系统的焦点转移到光子计数方法上。与传统方法相比，光子计数医学成像具有许多优点，例如更好的分辨率和/或更低的剂量以及光谱信息。
与传统成像系统相比，光子计数成像系统需要在前端采用完全不同的方法。这是因为需要对输入信号(电流)进行高速、异步连续定时处理。特别是，光子计数方法需要前端电路，该前端电路接收电流输入，并且在输出处提供经过整形的电压，从而便于鉴别器的进一步处理。
由于输入电荷脉冲的随机性，需要异步连续时间前端电路，以便在输出处将输入电荷脉冲转换为电压脉冲。前端拓扑通常是单级或两级方法。对于小且固定的输入电容，可以采用单级结构，该单极结构包含整形电荷敏感放大器，后面是鉴别器和计数器。对于大且变化的输入电容，可以使用两级结构方法。
图1示出了光子计数电路，其包括具有两级拓扑的前端电子电路10、光子探测器20、能量鉴别器30和计数器。当入射光子撞击光子探测器20的直接转换材料(例如CdTe/CZT)时，在光子探测器20的输出处生成瞬态电流信号Iin。该电流与入射光子的能量成比例。电流Iin随后由前端电子电路10处理，前端电子电路10包括通过耦合网络400耦合的电荷敏感放大器级100和信号整形器级200。
电荷敏感放大器级100包括运算跨导放大器110、反馈电容器130和反馈电阻器140。信号整形器级200包括运算跨导放大器210、反馈电容器230和反馈电阻器240。通常，反馈电阻器140和240由偏置在线性区域中的相应的MOS(Metal-Oxide-Semiconductor，金属氧化物半导体)晶体管来实现。电荷敏感放大器级100和信号整形器级200的输出的基线由连接到运算跨导放大器110和210的相应(正)输入端子的参考电压Vref来定义，该运算跨导放大器110和210被配置为差分输入运算跨导放大器和单端输出运算跨导放大器。
前端电子电路10将在信号整形器级200的输出处提供整形电压Vout_shaper，该整形电压与输入电流Iin成比例并且因此与每个单个入射光子的能量成比例。然后，整形器输出电压Vout_shaper由多个鉴别器电路30a、…、30n和计数器电路40a、…、40n进一步处理。计数的数量与入射光子的数量成比例。具有多个鉴别器电路30a、…、30n和计数器电路40a、…、40n将给出关于每个入射光子的能级的信息。计数器输出可以由DSP(Digital-Signal-Processor，数字信号处理器)进行处理，图1中未示出。
对于医学成像应用而言，光子计数前端电路具有以下重要规格，其中包括：低功耗和低噪声、小硅面积、与整形输出的FWHM(Full-Width-Half-Maximum半峰全宽)相关的高计数率、高线性度和低弹道缺陷。
尽管如图1所示，前端电子电路的两级拓扑将信号整形器级200与前端电子电路10的输入处的输入电容解耦，但由于电荷敏感放大器100充当缓冲器，两级前端电路伴随着更高的噪声和功率损失。当在噪声和FHWM方面需要良好表现时，前端电子电路必须消耗大的功率，从而产生过多的热效应，其对系统的性能稳定性产生负面影响。
发明内容
有必要提供一种用于电磁辐射传感器应用的前端电子电路，其能够以非常高的计数率运行并且具有低功耗而不影响其他规格、例如噪声和速度。此外，需要提供一种可以以高分辨率和低功耗运行的用于电磁辐射的传感器装置。
在权利要求1中说明了一种用于电磁辐射传感器应用的前端电子电路，其在功耗、噪声和计数率方面提供了显著的性能改进。
用于电磁辐射传感器应用的前端电子电路包括：输入节点，被配置为耦合到对电磁辐射敏感的传感器以接收来自传感器的输入信号；以及输出节点，用于提供输出信号。前端电子电路包括电荷敏感放大器级和信号整形器级。
电荷敏感放大器级包括第一单输入运算跨导放大器，其具有耦合到输入节点的输入侧并且具有用于提供电荷敏感放大器输出信号的输出侧。电荷敏感放大器级还包括晶体管，该晶体管布置在第一单输入运算跨导放大器的输入侧和输出侧之间的第一反馈路径中。
信号整形器级包括第二单输入运算跨导放大器，其具有耦合到第一单输入运算跨导放大器的输出侧的输入侧，并且具有耦合到输出节点的输出侧。信号整形器级还包括有源反馈电路，该有源反馈电路布置在第二单输入运算跨导放大器的输入侧和输出侧之间的第二反馈路径中。
即使大且不可预测的输入电容在前端电子电路的输入节点处有效，所提出的两级方法也允许实现用于电磁辐射传感器应用的前端电子电路。大且不可预测的输入电容可能是由封装引起的，特别是当传感器材料和信号处理IC芯片通过中介层耦合时。
形成两级前端电子电路的第一级的电荷敏感放大器级允许对输入信号进行缓冲。形成两级前端电子电路的第二级的信号整形器级因此与前端电子电路的输入节点处的输入电容解耦，并且响应于输入信号、例如输入电流脉冲而生成输出信号、例如电压脉冲。
有源反馈电路充当信号整形器级的第二单输入运算跨导放大器的电阻反馈。有源反馈电路使得能够将信号整形器级的输出侧与电荷敏感放大器级的输出侧解耦。
所提出的前端电子电路的两级结构实现了功耗的显著降低，而不影响诸如噪声和速度之类的任何其他规格，而是还对该规格进行了改进。特别是，所提出的前端结构针对相同噪声实现了更低的功耗，或者针对相同功耗实现了更低的噪声。
前端电子电路包括控制电路，用于提供控制信号以控制电荷敏感放大器级的第一反馈路径中的晶体管。控制电路包括第二晶体管。控制电路被配置为提供控制信号以根据第二晶体管的栅-源电压来控制电荷敏感放大器级的第一反馈路径中的晶体管。控制电路提供偏置技术来控制电荷敏感放大器级的第一反馈路径中的晶体管，从而保证在PVT变化的情况下晶体管的恒定的反馈电阻。
根据前端电子电路的一种可能的实施例，输入节点可以被配置为耦合到传感器，该传感器被实施为光子计数应用的光子探测器。在这种情况下，电子电路允许实现两级光子计数前端。
根据前端电子电路的一种可能的实施例，电荷敏感放大器级包括电容器，该电容器并联于电荷敏感放大器级的晶体管地布置在第一单输入运算跨导放大器的输入侧和输出侧之间。信号整形器级包括第二电容器，该第二电容器并联于有源反馈电路地布置在第二单输入运算跨导放大器的输入侧和输出侧之间。
电荷敏感放大器级的电容器的电容有利地大于信号整形器级的第二电容器的电容。因此，如果前端电子电路的输入节点处的输入电容是大的和/或不可预测，则第一级/电荷敏感放大器级可以利用其电荷敏感放大器的电容器的相对较大的电容来处理输入电容，从而减缓建立(settling)。前端电子电路的第二级/信号整形器级利用其第二电容器的相对较小的电容来执行输出信号(例如电压脉冲)的快速整形。
根据一种可能的实施例，前端电子电路包括耦合网络，该耦合网络布置在第一单输入运算跨导放大器的输出侧和第二单输入运算跨导放大器的输入侧之间。耦合网络包括第三晶体管和第三电容器的并联连接。控制电路被配置为提供控制信号以根据控制电路的第二晶体管的栅-源电压控制第三晶体管。
耦合网络被配置为极点/零点补偿网络，其中，第三晶体管可以被实施为与第三电容器并联地在线性区域中运行的MOS电阻器。
根据前端电子电路的另一种实施例，第一单输入运算跨导放大器具有耦合到输入节点的单输入连接、输入晶体管和第一电流源。输入晶体管具有耦合到单输入连接的控制节点，用于接收取决于输入信号的第一输入控制信号以控制输入晶体管。第一电流源与输入晶体管串联布置。
第二单输入运算跨导放大器具有耦合到第一单输入运算跨导放大器的输出侧的单输入连接。第二单输入运算跨导放大器包括第二输入晶体管，该第二输入晶体管具有耦合到第二单输入运算跨导放大器的单输入连接的控制节点，用于接收第二输入控制信号。第二输入控制信号根据第一单输入运算跨导放大器的输出信号来控制第二输入晶体管。此外，第二单输入运算跨导放大器包括与第二输入晶体管串联布置的第二电流源。
根据前端电子电路的一种有利的实施例，第二晶体管被配置为第一单输入运算跨导放大器的输入晶体管的复制品。电荷敏感放大器级的输入和输出参考第一单输入运算跨导放大器的输入晶体管的非温度稳定的栅-源电压。所提出的控制电路的偏置技术允许通过使用控制电路的第二晶体管来跟踪输入晶体管的栅-源电压，该第二晶体管被配置为第一单输入运算跨导放大器的输入晶体管的复制品。
根据前端电子电路的一种可能的实施例，控制电路包括第一电流路径和布置在第一电流路径中的第三电流源。第二晶体管以二极管连接的配置布置在第一电流路径中。第二晶体管具有耦合到第三电流源的漏极节点。
根据前端电子电路的一种有利的实施例，控制电路包括第四晶体管，该第四晶体管作为耦合网络的第三晶体管的复制品。控制电路被配置为生成控制信号，以根据第四晶体管的栅-源电压来控制电荷敏感放大器级的反馈路径中的晶体管和耦合网络的第三晶体管。
控制电路的配置，其中，第二晶体管被配置为第一单输入运算跨导放大器的输入晶体管的复制品，并且第四晶体管被配置为耦合网络的第三晶体管的复制品，其允许追踪第一单输入运算跨导放大器的输入晶体管和耦合网络的第三晶体管的相应的栅-源电压。
因此，控制电路提供复制跟踪，该复制跟踪允许电荷敏感放大器级的第一反馈路径中的晶体管和耦合网络的第三晶体管在第一单输入运算跨导放大器的输入晶体管的栅-源电压和耦合网络的第三晶体管的栅-源电压的PVT变化的情况下以相应的恒定的电阻运行。这确保例如第一反馈路径中的反馈电阻保持在一定限度内，并且因此前端电子电路的性能不会由于PVT变化而降低。
根据前端电子电路的一种可能的实施例，控制电路包括耦合到第一电流路径的第二电流路径。第四晶体管以二极管连接的配置布置在第二电流路径中。控制电路的输出节点连接到第四晶体管的栅极节点。
根据前端电子电路的一种可能的实施例，控制电路包括缓冲电路，该缓冲电路布置为将第一电流路径耦合到第二电流路径。第四晶体管的源极节点连接到缓冲电路的输出。第二晶体管具有连接到缓冲电路的输入节点的栅极节点。
根据前端电子电路的另一种实施例，控制电路包括第四电流源，该第四电流源布置在第四晶体管的栅极节点与参考电势之间的第三电流路径中。控制电路包括第五电流源，该第五电流源布置在第四晶体管的源极节点和电源电势之间的第二电流路径中。
在这种情况下，缓冲电路被电流源取代。为了避免任何性能下降，可以有利地提供前端电子电路的一些元件之间的匹配。例如，第一单输入运算跨导放大器的输入晶体管、第二单输入运算跨导放大器的输入晶体管以及控制电路的第二晶体管彼此匹配，和/或第一电流源、第二电流源和第三电流源彼此匹配，和/或由第一反馈路径的晶体管提供的电阻、由耦合网络的第三晶体管提供的电阻和由控制电路的第四晶体管提供的电阻彼此匹配，和/或电荷敏感放大器级的电容器的电容和耦合网络的第三电容器的电容彼此匹配。
根据前端电子电路的一种可能的实施例，有源反馈电路包括跨导放大器，该跨导放大器具有第一输入节点、第二输入节点和输出节点，该第一输入节点耦合到第二单输入运算跨导放大器的输出侧，该第二输入节点接收参考电压，该输出节点耦合到第二单输入运算跨导放大器的单输入连接。
有源反馈电路的跨导放大器允许将信号整形器级的输出侧与电荷敏感放大器级的输出侧解耦。此外，有源反馈电路的跨导放大器允许通过将参考电压施加到跨导放大器的第二输入节点来在参考电压下调整整形器输出的基线。
在权利要求14中详细说明了用于电磁辐射的传感器装置的实施例，该传感器装置包括根据上述实施例之一的前端电子电路。该传感器装置包括对电磁辐射敏感的传感器，用于根据由光传感器接收的电磁辐射为前端电子电路提供输入信号。
传感器可以被实施为具有光子敏感区域的光子探测器传感器。光子探测器传感器被配置为当光子撞击光子敏感区域时生成用于前端电子电路的输入信号。
前端电子电路的附加特征和优点在下面的详细描述中阐述。应当理解，前面的一般描述和下面的详细描述都只是示例性的，并且旨在提供用于理解权利要求的本质和特征的概述或框架。
附图说明
附图被包括以提供进一步的理解，附图包含在说明书中并构成说明书的一部分。因此，根据以下结合附图的详细描述将更全面地理解本公开，其中：
图1示出了用于光子计数应用的两级前端电子电路的结构图；
图2示出了根据两级方法的前端电子电路的实施例，该两级方法使用用于电荷敏感放大器级和信号整形器级的相应的单输入运算跨导放大器；
图3示出了控制电路的实施例，该控制电路用于控制用于电磁辐射传感器应用的前端电子电路的电荷敏感放大器的反馈路径的晶体管和耦合网络的晶体管；
图4示出了控制电路的另一种实施例，该控制电路用于控制用于电磁辐射传感器应用的前端电子电路的电荷敏感放大器级的反馈路径的晶体管和耦合网络的晶体管；并且
图5示出了用于电磁辐射的传感器装置的实施例，包括前端电子电路的两级方法。
具体实施方式
图2示出了前端电子电路10的两级方法，该前端电子电路可以用于电磁辐射传感器应用、即对光辐射或X射线辐射敏感的传感器应用、例如光子计数应用。前端电子电路10包括输入节点I10，该输入节点被配置为耦合到光子探测器传感器20或光传感器50。电子电路10基本上可以用作用于光子计数应用(例如X射线成像或谱CT(计算机断层扫描))的前端电子电路。
前端电子电路10包括电荷敏感放大器级100和信号整形器级200。当在输入节点I10处接收输入电流信号Iin时，信号整形器级200在前端电子电路10的输出节点O10处提供输出信号Vout_shaper。
前端电子电路10被实现为两级方法，其中，电荷敏感放大器级100形成第一级并且信号整形器级200形成第二级。两级结构方法可以有利地用于输入节点I10处的大且变化的输入电容。例如，当在传感器装置的组装中使用中介层时，会出现大且不可预测的输入电容，该中介层提供用于光/X射线转换的传感器材料与处理IC芯片之间的连接。图2所示的两级拓扑允许通过充当输入电容与信号整形器级200之间的缓冲器的电荷敏感放大器级100将信号整形器级200与输入电容解耦。
与一级方法相比，两级拓扑由于电路元件数量较多，因此具有更高的噪声和功率损失。根据所提出的方法，前端电子电路10被配置为单输入和单输出前端。特别是，电荷敏感放大器级100包括第一单输入、单输出运算跨导放大器110，并且信号整形器级200包括第二单输入、单输出运算跨导放大器210。
第一单输入运算跨导放大器110具有输入侧和输出侧，该输入侧耦接到输入节点I10，该输出侧提供电荷敏感放大器输出信号Vout_csa。静电放电电路500可以可选地布置在输入节点I10和运算跨导放大器110的输入侧之间。第二单输入运算跨导放大器210具有输入侧和输出侧，该输入侧耦合到第一单输入运算跨导放大器210的输出侧，该输出侧耦合到前端电子电路的输出节点O10。
为电荷敏感放大器级100和信号整形器级200提供相应的单输入运算跨导放大器110而不是使用相应的差分放大器理想地将噪声功率降低了4倍。
参照图2，第一单输入运算跨导放大器110具有单输入连接I110，用于施加输入控制信号Iin_csa。单输入连接I110耦合到输入节点I10。第二单输入运算跨导放大器210具有单输入连接I210，用于接收输入控制信号Iin_shaper。单输入连接I210耦合到第一单输入运算跨导放大器110的输出侧。
图2中以符号的简化形式示出了电荷敏感放大器级100和信号整形器级200，同时仅示出了相应的单输入晶体管和DC电流源。第一单输入运算跨导放大器110包括具有控制节点的输入晶体管111，该控制节点耦合到单输入连接I110以接收第一输入控制信号Iin_csa，该第一输入控制信号取决于输入信号Iin并且用于控制输入晶体管111。第一单输入运算跨导放大器110还包括与输入晶体管111串联布置的第一电流源112。根据一种可能的实施例，第一电流源112可以在其栅极上嵌入RC滤波器，以去除电流源的高频噪声的部分。
第二单输入运算跨导放大器210包括具有控制节点的第二输入晶体管211，该控制节点耦合到单输入连接I210以接收取决于第一单输入运算跨导放大器110的输出信号Vout_csa的第二输入控制信号Iin_shaper，从而控制第二输入晶体管211。第二单输入运算跨导放大器210还包括与第二输入晶体管211串联布置的第二电流源212。
如上所述，对于电荷敏感放大器级和信号整形器级使用单输入运算跨导放大器110和210而不是相应的差分对，对于相同的噪声提供了4倍的功率降低。单输入运算跨导放大器110和210的功率降低是由于，差分跨导放大器中的差分晶体管对的尾电流没有针对单输入运算跨导放大器进行分流，从而有效地使晶体管中的偏置电流加倍。
此外，省略在差分放大器中提供的第二支路，消除了将噪声分裂为另一个2倍的不相关的噪声源。替换地，对于相同的噪声功率，功率可以降低四倍。
电荷敏感放大器级100包括晶体管120，该晶体管布置在第一单输入运算跨导放大器110的输入侧和输出侧之间的第一反馈路径101中。电荷敏感放大器级100还包括电容器130，该电容器并联于晶体管120地布置在第一单输入运算跨导放大器110的输入侧与输出侧之间。单输入、单输出运算跨导放大器110以负反馈配置提供。负反馈包括充当MOS电阻器的晶体管120，该MOS电阻器与积分电容器130并联地在线性区域中运行。
信号整形器级200包括有源反馈电路220，该有源反馈电路布置在第二单输入运算跨导放大器210的输入侧和输出侧之间的整形器级200的第二反馈路径201中。有源反馈电路220可以被实施为放大器。信号整形器级200还包括第二电容器230，该第二电容器并联于有源反馈电路220地布置在第二单输入运算跨导放大器210的输入侧和输出侧之间。
单输入、单输出运算跨导放大器210以负反馈配置运行。信号整形器级200的负反馈包括与积分电容器230并联的有源反馈电路220。有源反馈电路220可以被实施为有源反馈放大器，该有源反馈放大器充当用于信号整形器级200的第二单输入运算跨导放大器210的电阻反馈。
有源反馈电路220可以被实施为跨导放大器，该跨导放大器具有耦合到第二单输入运算跨导放大器210的输出侧的第一输入节点I220a以及用于接收参考电压Vref的第二输入节点I220b。有源反馈电路220具有耦合到第二单输入运算跨导放大器210的单输入连接I210的输出节点O220。
有源反馈电路220的输入节点I220a耦合到第二单输入运算跨导放大器210的输出侧并且有源反馈电路的第二输入节点I220b布置为用于接收参考电压Vref，这允许调整信号整形器级200的输出的基线。特别是，由于利用了有源反馈电路220，其第二输入节点I220b(例如其负端子)连接在参考电压Vref上，因此可以实现基线输出位于参考电压Vref上的单输入运算跨导放大器210。
此外，有源反馈电路220将信号整形器级200的输出与电荷敏感放大器级100的输出侧解耦，在使用单输入运算跨导放大器110的情况下，电荷敏感放大器级的输出侧与输入晶体管111的栅-源电压相关联。因此，信号整形器级200的输出可以保持在对于计数率稳定性至关重要的温度稳定电压Vref。
在整形器级200的第二反馈路径201中布置有有源反馈电路220的所提出的方法提高了信号整形器级的速度，并且通过将整形器200的输出与整形器的输入解耦并且因此与电荷敏感放大器100的输出解耦来在Vref下驱动整形器输出的基线。因此，有源反馈对于在Vref下获得稳定的整形器基线是至关重要的，而与电荷敏感放大器和整形器中的单输入跨导的栅-源电压无关。
此外，可以有意地在有源反馈电路220中引入非线性以实现非线性反馈电阻(1/gm)，该非线性反馈电阻通过减小脉冲宽度来改善FWHM。
根据一种有利的实施例，电容器130的电容大于电容器230的电容。假设输入节点I10处的大输入电容，电容器130的大电容允许将零极点移动到较低频率并对极点进行补偿。因此，第一级100“缓冲”输入，然后第二级200的输入电容是较小的、已知的且可预测和可控的内部电容。电容器230的小电容允许更小的时间常数并因此允许更高的计数率。
参照图2，前端电子电路10包括被实施为极点/零点补偿网络的耦合网络400。耦合网络400布置在第一单输入运算跨导放大器110的输出侧和第二单输入运算跨导放大器210的输入侧之间。耦合网络400包括晶体管410和电容器420的并联连接，该晶体管充当在线性区域运行的MOS电阻，该电容器与晶体管410并联地布置。
前端电子电路10包括控制电路300，该控制电路用于提供控制信号Vbias以至少控制晶体管120。图3和图4示出了控制电路300的不同实施例。控制电路300包括被配置为第一单输入运算跨导放大器100的输入晶体管111的复制品。控制电路300被配置为根据晶体管310的栅-源电压提供控制信号Vbias。此外，控制电路300可以被配置为用于提供控制信号Vbias以根据晶体管310的栅-源电压来控制耦合网络400的晶体管410。
由于在单输入方法中，第一单输入运算跨导放大器110的输出信号Vout_csa会在PVT上发生变化，因此会导致晶体管120和410的MOS电阻变化较大。为了解决这个问题，提供可以被配置为静态控制电路的控制电路300，其允许复制偏置，该复制偏置跟踪第一单输入运算跨导放大器100的输入处的输入晶体管111的PVT。
参照图3和图4，控制电路300包括被配置为耦合网络400的晶体管410的复制品的晶体管330。控制电路300被配置为根据晶体管310的栅-源电压并且根据晶体管330的栅-源电压生成控制信号Vbias。
电荷敏感放大器级100的输入和输出参考非温度稳定的输入晶体管111的栅-源电压。控制电路300允许跟踪电荷敏感放大器级100的输出并且在处理、失配和脉冲事件期间相应地适配晶体管/MOS电阻器120的电阻和晶体管/MOS电阻器410的电阻。这确保反馈电阻保持在一定限度内，并且因此前端电子电路10的性能不会降低。
因此，控制电路300通过以下方式提供复制跟踪偏置：使用被配置为输入晶体管111的复制品的晶体管310来跟踪输入晶体管111的栅-源电压。此外，控制电路300通过使用被配置为晶体管410的复制品的晶体管330使得能够跟踪晶体管410的栅-源电压。复制品晶体管310和330的尺寸和偏置电流是输入晶体管111和晶体管410的各自的一部分。对输入晶体管111和晶体管410的各自的栅-源电压的跟踪允许跟踪Vth变化以及电流偏置变化。由控制电路300引入的偏置技术保证在PVT变化的情况下提供电荷敏感放大器100的晶体管120和耦合网络的晶体管410的恒定反馈MOS电阻。
信号整形器级200的输入也参考了第二单输入运算跨导放大器210的输入晶体管211的栅-源电压，并且在反馈路径201中使用MOS电阻作为反馈元件的情况下，输出也将参考输入晶体管211的栅-源电压。这将导致计数率显著不稳定。
根据所提出的用于信号整形器级200的方法，有源反馈电路220允许将信号整形器级200的输出与单输入运算跨导放大器210的输入晶体管211的栅-源电压的PVT变化解耦。
参照图3和图4所示的控制电路300的实施例，控制电路300包括电流路径301和布置在电流路径301中的电流源320。晶体管310以二极管连接的配置布置在第一电流路径301中。晶体管310具有彼此连接的栅极节点和漏极节点。晶体管310的漏极节点耦合到电流源320，即，晶体管310的漏极节点直接地或间接地连接到电流源320。图3示出了晶体管310直接连接到电流源320的配置。根据另一种可能的实施例，可以在晶体管310和电流源320之间提供共源共栅晶体管。
控制电路300包括耦合到电流路径301的电流路径302。晶体管330以二极管连接的配置布置在电流路径302中。控制电路300包括布置在晶体管330和参考电势VSS之间的电流路径302中的电流源340。
控制电路300的用于提供控制信号Vbias的输出节点O300连接到晶体管330的栅极节点。在控制电路300的输出节点O300处提供的控制信号Vbias用于偏置电荷敏感放大器级100的晶体管110和耦合网络400的晶体管410的控制节点/栅极。因此，控制电路300使用复制跟踪来提供控制信号Vbias，以避免电荷敏感放大器级100的晶体管/MOS电阻器110的相应电阻和耦合网络400的晶体管410/MOS电阻器的电阻的降低。
参考图3所示的控制电路300的实施例，控制电路包括缓冲电路360，该缓冲电路被布置为将电流路径301耦合到电流路径302。第二晶体管310的栅极节点连接到缓冲电路360的输入节点。晶体管330的源极节点连接到缓冲电路360的输出。
缓冲电路360使得电流路径301的输出电压Vtrack能够被缓冲并用于偏置电流路径302中的晶体管330。流过晶体管330的电流通过由电流源340提供的电流来定义。由电流源340生成的电流可以被选择为与绝对温度(PTAT)成比例，以便消除反馈路径101中的晶体管/MOS电阻器110的电阻的温度漂移。
图4所示的控制电路300的第二实施例类似于图3所示的控制电路300的实施例，但该第二实施例以附加的电流源350代替缓冲放大器360。电流源350布置在晶体管330的源极节点和电源电势VDD之间的电流路径302中。电流源340和350被设计为使得两个电流源在电流路径302中提供相同的电流，使得作为二极管运行的晶体管330不被加载。
为了避免任何性能降低，可以有利地提供前端电子电路的结构的一些部件之间的匹配。根据一种可能的实施例，第一单输入运算跨导放大器110的输入晶体管111和第二单输入运算跨导放大器210的输入晶体管211以及控制电路300的晶体管310彼此匹配。此外，第一单输入运算跨导放大器110的第一电流源112、第二单输入运算跨导放大器210的第二电流源212以及控制电路300的电流源320可以彼此匹配。此外，由晶体管/MOS电阻器120提供的电阻、由晶体管/MOS电阻器410提供的电阻以及由晶体管/MOS电阻器330提供的电阻可以彼此匹配。附加地，电容器130的电容和电容器420的电容可以彼此匹配。
图5示出了前端电子电路10在用于电磁辐射的传感器装置1、例如光子计数传感器装置2(例如X射线或CT设备)中的可能应用。
当用作对电磁辐射敏感的传感器装置1中的前端时，电子电路10可以以其输入节点I10连接到对电磁辐射敏感的传感器20、50，以根据由传感器20、50接收的电磁辐射提供输入信号Iin。电磁辐射可以是光辐射或X射线辐射。传感器可以被配置为对光谱敏感的光传感器或者对X射线谱敏感的X射线传感器。当用作X射线应用中、例如光子计数传感器装置中的前端时，电子电路10以其输入节点I10耦合到具有光子敏感区域的光子探测器传感器20。光子探测器传感器20被配置为当光子撞击光子敏感区域时生成输入信号Iin、例如输入电流脉冲。
能量鉴别器30连接到前端电子电路10的输出节点O10。前端电子电路10被配置为当输入信号Iin施加到输入节点I10时在输出节点O10处生成输出信号Vout_shaper。能量鉴别器30连接到前端电子电路的输出节点O10并且根据输出信号Vout_shaper的电平生成数字信号。然后响应于输出信号Vout_shaper的能量水平来设置与鉴别器30的输出耦合的计数器40的值。
所提出的前端电子电路方法是在用于电磁辐射的传感器装置(例如光子计数传感器装置)的两级前端结构中应用节能措施。前端电子电路将相应的单输入运算跨导放大器用于电荷敏感放大器级和信号整形器级，该电荷敏感放大器级和信号整形器级具有晶体管/MOS电阻器反馈，该反馈通过引入由控制电路300提供的复制跟踪偏置来实现。在信号整形器级的反馈路径中提供有源反馈电路/放大器，该有源反馈电路/放大器代替整形器反馈电阻器并跟踪参考电压Vref，以便调整信号整形器级的输出的基线。这些措施的组合在整体结构范围内提高了前端电路的性能，并且因此也提高了包括前端电路的装置的性能，而显著地不损害计数率稳定性。
出于使读者熟悉前端电路设计的新颖方面的目的，已经讨论了本文所公开的前端电子电路的实施例。尽管已经示出和描述了优选实施例，但是本领域技术人员可以对所公开的概念进行多种改变、修改、等同和替换，而不会不必要地脱离权利要求的范围。
特别是，前端电子电路的设计不限于所公开的实施例，并且给出了对于所讨论的实施例中包括的特征的许多可能的替换的示例。然而，所公开概念的任何修改、等同和替换都旨在被包括在所附权利要求的范围内。
可以有利地组合在单独的从属权利要求中记载的特征。此外，权利要求中使用的附图标记不是限制到被解释为限制权利要求的范围。
此外，如本文所使用的，术语“包括”不排除其他元件。附加地，如本文所使用的，冠词“一”旨在包括一个或多于一个的部件或元件，而不是限制到被解释为仅表示一个。
本专利申请要求申请号为102021108710.4的德国专利申请的优先权，其公开内容通过引用并入本文。
附图标记列表
1 用于电磁辐射的传感器装置
2 光子计数传感器装置
10 前端电子电路
20 光子探测器传感器
30 能量鉴别器
40 计数器电路
50 光传感器
100 电荷敏感放大器级
110 单输入运算跨导放大器
120 晶体管
130 电容器
200 信号整形器级
210 单输入运算跨导放大器
220 有源反馈电路
230 电容器
300 控制电路
310、330 晶体管
320、340、350 电流源
360 缓冲电路
400 耦合网络
410 晶体管
420 电容器
500 静电放电电路
111、211 输入晶体管
112、212 电流源

Claims (15)

1.一种用于电磁辐射传感器应用的前端电子电路，包括：
-输入节点(I10)，所述输入节点被配置为耦合到对电磁辐射敏感的传感器以接收来自所述传感器的输入信号(Iin)，
-输出节点(O10)，用于提供输出信号(Vout_shaper)，
-电荷敏感放大器级(100)，包括第一单输入运算跨导放大器(110)和晶体管(120)，所述第一单输入运算跨导放大器具有耦合到所述输入节点(I10)的输入侧并且具有用于提供电荷敏感放大器输出信号(Vout_csa)的输出侧，所述晶体管布置在所述第一单输入运算跨导放大器(110)的输入侧和输出侧之间的第一反馈路径(101)中，
-信号整形器级(200)，包括第二单输入运算跨导放大器(210)和有源反馈电路(201)，所述第二单输入运算跨导放大器具有耦合到所述第一单输入运算跨导放大器(110)的输出侧的输入侧并且具有耦合到所述输出节点(O10)的输出侧，所述有源反馈电路布置在所述第二单输入运算跨导放大器(210)的输入侧和输出侧之间的第二反馈路径(201)中，
-控制电路(300)，包括第二晶体管(310)，其中，所述控制电路(300)被配置为用于提供控制信号(Vbias)以根据所述第二晶体管(310)的栅-源电压来控制所述晶体管(120)。
2.根据权利要求1所述的前端电子电路，
其中，所述输入节点(I10)被配置为耦合到传感器，所述传感器被实施为光子计数应用的光子探测器。
3.根据权利要求1或2所述的前端电子电路，
-其中，所述电荷敏感放大器级(100)包括电容器(130)，所述电容器并联于所述晶体管(120)地布置在所述第一单输入运算跨导放大器(110)的输入侧和输出侧之间。
-其中，所述信号整形器级(200)包括第二电容器(230)，所述第二电容器并联于所述有源反馈电路(220)地布置在所述第二单输入运算跨导放大器(210)的输入侧和输出侧之间。
4.根据权利要求3所述的前端电子电路，包括：
-耦合网络(400)，所述耦合网络布置在所述第一单输入运算跨导放大器(110)的输出侧和所述第二单输入运算跨导放大器(210)的输入侧之间，
-其中，所述耦合网络(400)包括第三晶体管(410)和第三电容器(420)的并联连接，
-其中，所述控制电路(300)被配置为提供控制信号(Vbias)以根据所述第二晶体管(310)的栅-源电压控制所述第三晶体管(410)。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的前端电子电路，
-其中，所述第一单输入运算跨导放大器(110)具有耦合到所述输入节点(I10)的单输入连接(I110)，并且具有输入晶体管(111)和第一电流源(112)，所述输入晶体管具有耦合到所述单输入连接(I110)的控制节点，用于接收取决于所述输入信号(Iin)的第一输入控制信号(Iin_csa)以控制所述输入晶体管(111)，所述第一电流源与所述输入晶体管(111)串联布置，
-其中，所述第二单输入运算跨导放大器(210)具有耦合到所述第一单输入运算跨导放大器(110)的输出侧的单输入连接(I210)，并且具有第二输入晶体管(211)和第二电流源(212)，所述第二输入晶体管具有耦合到所述单输入连接(I210)的控制节点，用于接收取决于所述第一单输入运算跨导放大器(110)的输出信号(Vout_csa)的第二输入控制信号(Iin_shaper)以控制所述第二输入晶体管(211)，所述第二电流源与所述第二输入晶体管(211)串联布置。
6.根据权利要求5所述的前端电子电路，
其中，所述第二晶体管(310)被配置为所述第一单输入运算跨导放大器的输入晶体管(111)的复制品。
7.根据权利要求6所述的前端电子电路，
-其中，所述控制电路(300)包括第一电流路径(301)和布置在所述第一电流路径(301)中的第三电流源(320)，
-其中，所述第二晶体管(310)以二极管连接的配置布置在所述第一电流路径(301)中，
-其中，所述第二晶体管(310)具有耦合到所述第三电流源(320)的漏极节点。
8.根据权利要求6或7所述的前端电子电路，
-其中，所述控制电路(300)包括第四晶体管(330)，所述第四晶体管被配置为所述第三晶体管(410)的复制品，
-其中，所述控制电路(300)被配置为根据所述第四晶体管(330)的栅-源电压生成所述控制信号(Vbias)。
9.根据权利要求8所述的前端电子电路，
-其中，所述控制电路(300)包括耦合到所述第一电流路径(301)的第二电流路径(302)，
-其中，所述第四晶体管(330)以二极管连接的配置布置在所述第二电流路径(302)中，
-其中，所述控制电路(300)的输出节点(O300)连接到所述第四晶体管(330)的栅极节点，
-其中，所述控制电路(300)包括第四电流源(340)，所述第四电流源布置在所述第四晶体管(330)与参考电势(VSS)之间的第二电流路径(302)中。
10.根据权利要求9所述的前端电子电路，
-其中，所述控制电路(300)包括缓冲电路(360)，所述缓冲电路布置为将所述第一电流路径(301)耦合到所述第二电流路径(302)，
-其中，所述第四晶体管(330)的源极节点连接到所述缓冲电路(360)的输出，
-其中，所述第二晶体管(310)具有连接到所述缓冲电路(360)的输入节点的栅极节点。
11.根据权利要求9所述的前端电子电路，
其中，所述控制电路(300)包括第五电流源(350)，所述第五电流源布置在所述第四晶体管(330)的源极节点和电源电势(VDD)之间的第二电流路径(302)中。
12.根据权利要求8至11中任一项所述的前端电子电路，
-其中，所述第一单输入运算跨导放大器(110)的输入晶体管(111)、所述第二单输入运算跨导放大器(210)的输入晶体管(211)以及所述控制电路(300)的第二晶体管(310)彼此匹配，和/或
-其中，所述第一电流源(112)、所述第二电流源(212)和所述第三电流源(320)彼此匹配，和/或
-其中，由所述晶体管(120)提供的电阻、由所述第三晶体管(410)提供的电阻和由所述第四晶体管(330)提供的电阻彼此匹配，和/或
-其中，所述电容器(130)的电容和所述第三电容器(420)的电容彼此匹配。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的前端电子电路，
其中，所述有源反馈电路(220)包括跨导放大器，所述跨导放大器具有第一输入节点(I220a)、第二输入节点(I220b)和输出节点(O220)，所述第一输入节点耦合到所述第二单输入运算跨导放大器(210)的输出侧，所述第二输入节点接收参考电压(Vref)，所述输出节点耦合到所述第二单输入运算跨导放大器(210)的单输入连接(I210)。
14.一种用于电磁辐射的传感器装置，包括：
-根据权利要求1至13中任一项所述的前端电子电路(10)，
-对电磁辐射敏感的传感器(20，50)，用于根据由所述传感器(20，50)接收的电磁辐射为所述前端电子电路(10)提供输入信号(Iin)。
15.根据权利要求14所述的传感器装置，
-其中，所述传感器(20，50)被实施为具有光子敏感区域的光子探测器传感器(20)，所述光子探测器传感器(20)被配置为当光子撞击光子敏感区域时生成用于所述前端电子电路(10)的输入信号(Iin)。
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