CN117677867A - 用于电磁辐射传感器应用的前端电子电路 - Google Patents

Abstract

一种用于电磁辐射传感器应用的前端电子电路(10)包括具有放大器电路(1100)和有源动态反馈电路(1200)的信号整形器电路(1000)，有源动态反馈电路(1200)被设置在信号整形器电路(1000)的反馈路径(1001)中。有源动态反馈电路(1200)包括被设置在有源动态反馈电路的第一电流路径(1201)中的第一输入晶体管(100)，以及被设置在有源动态反馈电路(1200)的第二电流路径(1202)中的第二输入晶体管(200)。第一输入晶体管(100)具有接收信号整形器电路(1000)的输出信号(Vout_shaper)的控制节点，第二输入晶体管(200)具有接收参考信号(Vref)的控制节点。有源动态反馈电路(1200)包括缓冲器电路(300)，该缓冲器电路被设置用于使第一电流路径和第二电流路径(1201，1202)去耦。

Description

用于电磁辐射传感器应用的前端电子电路

技术领域

本公开涉及用于电磁辐射传感器应用的前端电子电路，尤其是X射线成像应用或光子计数应用，诸如多能谱CT(计算机断层扫描)。本公开还涉及使用前端电子电路的光子计数传感器电路，以及用于医疗诊断的设备。

背景技术

传统的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将X射线转换成可见光的闪烁体，该可见光被光电检测器或光电二极管捕获，以响应于撞击闪烁体材料的X射线而提供电信号。

与使用间接检测原理的常规计算机断层扫描相反，当入射光子撞击直接转换材料(诸如CdTe/CZT)时，直接转换传感器允许生成电信号。直接转换材料以及连续时间异步前端电子设备允许CT机受益于光子计数系统的优势。光子计数医疗成像与传统方法相比具有许多优点，诸如更好的分辨率和/或更低的剂量以及光谱信息。

光子计数成像系统需要输入信号(输入电流脉冲)的高速和异步连续时间处理。具体地，光子计数方法需要前端电路，该前端电路接收电流输入，并且在输出提供电压，该电压被整形以便促进由鉴别器进行的进一步处理。

前端拓扑通常是单级方案和两级方案。对于小且固定的输入电容，可以采用单级架构，该单级架构并入了信号整形器电路(signal shaper circuit)，该信号整形器电路包括放大器电路，其后是鉴别器和计数器。

图1示出了根据单级方案的前端电子电路10，其包括信号整形器电路1000，该信号整形器电路1000具有输入端子I10以接收来自电磁辐射传感器(例如，光子检测器)的输入信号Iin。信号整形器电路1000包括放大器电路1100，其具有接收来自传感器的输入信号Iin和参考信号Vref的输入侧，以及在前端电路的输出端子O10提供输出信号Vout_shaper的输出侧。电容器1300被设置在放大器电路1100的输入侧和输出侧之间的反馈路径1002中。可以被配置为电阻器的反馈元件1400被设置在与电容器1300并联的反馈路径1001中。

当入射光子撞击光子检测器的直接转换材料时，生成瞬态电流信号。这个电流与入射光子的能量成比例。该电流作为输入信号/输入电流脉冲Iin施加到输入端子I10，并且然后由信号整形器电路1000处理，该信号整形器电路1000将在输出端子O10处提供经整形的电压，该经整形的电压与输入电流成比例，因此与每个单个入射光子的能量成比例。整形器输出电压可以进一步由几个鉴别器和计数器处理。计数的数量与入射光子的数量成比例。具有多个鉴别器和计数器将附加地给出每个入射光子的能级信息。

对于大且变化的输入电容，可以使用前端电子电路的两级架构方案。代替单级信号整形器电路，两级前端方案的信号整形器电路包括耦合到整形器放大器的电荷敏感放大器，其后是鉴别器和计数器。尽管前端电子电路的两级拓扑将信号整形器级从前端电子电路的输入处的输入电容去耦，但是因为电荷敏感放大器充当缓冲器，所以两级前端电路带来了更高的噪声和功率损失。

信号整形器电路的输出的基线由连接在电荷敏感放大器和整形器放大器两者的正输入端子处的参考电压定义，这两个放大器通常是差分输入和单端输出运算跨导放大器(OTA)。

光子计数前端最重要的性能参数是低功率、低噪声、高计数率、与经整形的输出的脉冲宽度相关的小FWHM(半高全宽)、小硅面积、高线性和低弹道缺陷(ballisticdeficit)。

为了减小脉冲宽度并且因而减小FWHM性能以及增加计数率，需要上文所提到的拓扑消耗大量功率。这引发了其它问题，诸如这种系统不希望的热和热稳定性效应。

光子计数前端最重要的构建模块是信号整形器电路以及其反馈元件。该模块的配置对于确定前端的性能以及因此整体系统性能是至关重要的。为了实现所需的带宽，信号整形器电路自身必须表现出高跨导gm。然而，为了实现足够高的带宽以实现高计数率，整形器电路必须消耗大量的功率。

这就是反馈元件发挥作用的地方，它们是反馈电阻和反馈电容。反馈电容必须足够小，以针对高计数率降低FWHM，并且使堆积最小。然而，为了保持足够的相位裕度并且避免稳定性问题，需要最小电容。

另一个反馈元件是电阻，它可以用工作在线性区的标准电阻器(例如多晶硅电阻器)或MOS晶体管来实现。后者是优选的，因为它节省面积，并且电阻值可以非常大，并且当入射辐射撞击传感器的目标材料时，在脉冲活动期间，当整形器输出远离基线时，它提供饱和行为。

另一反馈实现是使用有源跨导体。然而，当存在大输入能量时，这导致输入脉冲的幅度大，或者当存在堆积事件时，现有的有源反馈拓扑将进入电流匮乏(currentstarving)，并且因而无法进一步处理输入信号。

需要提供一种用于电磁辐射传感器应用的前端电子电路的方案，该方案减小脉冲宽度，从而减小整形器输出的FWHM，并且附加地改善从堆积的恢复，而不会在信号整形器电路中消耗过量的功率。

发明内容

权利要求1中规定了一种用于电磁辐射传感器应用的前端电子电路，其增强了脉冲宽度，从而增强了前端电子电路的信号整形器输出的FWHM，并且附加地改善了堆积期间的计数率。

前端电子电路包括被配置用于耦合到电磁辐射传感器以接收来自传感器的输入信号的输入端子，以及提供输出信号的输出端子。前端电子电路包括信号整形器电路。信号整形器电路包括放大器和被设置在放大器电路的反馈路径中的有源动态反馈电路。放大器电路具有耦合到前端电子电路的输入端子的输入节点，以及提供输出信号的输出节点。放大器电路的输出节点耦合到前端电子电路的输出端子。

有源动态反馈电路包括被设置在有源动态反馈电路的第一电流路径中的第一输入晶体管。有源动态反馈电路还包括被设置在有源动态反馈电路的第二电流路径中的第二输入晶体管。第一输入晶体管具有接收输出信号的控制节点。第二输入晶体管具有接收参考信号的控制节点。有源动态反馈电路包括缓冲器电路，该缓冲器电路被设置用于使第一电流路径和第二电流路径去耦。

所提出的有源动态反馈电路允许通过增强脉冲形状和FWHM来改善信号整形器电路的输入动态范围以及堆积事件期间的电流匮乏限制(current starving limit)。为了实现这一点，所提出的有源动态反馈电路通过在前端电子电路的反馈路径中实现非线性反馈电阻(1/gm)来有意地引入非线性。结果，计数率显著改善，而不会在信号整形器放大器电路中消耗过量的功率。该拓扑对PVT和失配具有很高的鲁棒性。另外，它允许将整形器输出调节到独立于PVT的参考信号的电压电平。

根据前端电子电路的实施例，第一电流路径和第二电流路径分别连接在提供参考电位(reference potential)的端子和有源动态反馈电路的公共节点之间。缓冲器电路被设置在公共节点和第一输入晶体管之间，以使第一电流路径和第二电流路径去耦。

缓冲器电路使第一输入晶体管和第二输入晶体管各自的偏置电流能够被分别去耦，以便能够处理整形器输出处的大信号或与基线的大偏差，而不会使第二输入晶体管匮电(starving)以及导致输出的削波。

根据前端电子电路的实施例，有源动态反馈电路包括第三电流路径。有源动态反馈电路还包括电流源，该电流源被设置在提供电源电位的端子和公共节点之间的第三电流路径中。第三电流路径串联连接到第一电流路径和第二电流路径中的每一个。

根据前端电子电路的实施例，缓冲器电路包括第一输入节点和第二输入节点以及输出节点。缓冲器电路的第一输入节点连接到公共节点。缓冲器电路的第二输入节点耦合到缓冲器电路的输出节点。根据可能的实施例，缓冲器电路的第二输入节点直接连接到缓冲器电路的输出节点，或者，根据另一可能的实施例，缓冲器电路的第二输入节点经由反馈网络耦合到缓冲器电路的输出节点。缓冲器电路的输出节点连接到第一输入晶体管。

根据前端电子电路的实施例，缓冲器电路包括晶体管以及电流源。晶体管被设置在有源动态反馈电路的第四电流路径中。第一电流路径和第四电流路径并联连接在提供参考电位的端子和有源动态反馈电路的第二公共节点之间。电流源被设置在有源动态反馈电路的第五电流路径中，位于提供电源电位的端子和第二公共节点之间。耦合到第二公共节点的电流源保证了PVT上稳定的电流定义(definition)。

根据前端电子电路的实施例，缓冲器电路包括放大器，该放大器具有连接到有源动态反馈电路的公共节点的第一输入节点。缓冲器电路的放大器还包括连接到有源动态反馈电路的第二公共节点的第二输入节点。缓冲器电路的放大器具有连接到缓冲器电路的晶体管的控制节点的输出节点。

缓冲器电路的放大器使得第一输入晶体管和缓冲器电路的晶体管的各自的偏置电流能够被分别去耦，以便能够处理整形器输出处的大信号或与基线的大偏差，而不会使第二输入晶体管匮电，并且不会导致输出的削波以及整形器输出的饱和。通过缓冲器电路使第一电流路径和第四电流路径去耦使得能够在有源动态反馈电路的第二公共节点处创建低阻抗节点。

第一电流路径和第四电流路径中的相应的偏置电流的去耦允许第一电流路径中的小电流，以便获得低跨导，并且因而在信号整形器电路的反馈路径中获得高电阻。另一方面，第一电流路径和第四电流路径中的相应的偏置电流的去耦允许第四电流路径中的大电流，以便能够提供在信号整形器电路的放大器电路的输出节点处生成的大信号所需要的过大的电流，而不会变得匮电以及导致输出的削波。

缓冲器电路的放大器提供阻抗变换，该阻抗变换允许缓冲器电路的电流源的漏极处的有源动态反馈电路的第二公共节点从高阻抗变换到低阻抗。

根据前端电子电路的实施例，第一输入晶体管在弱反型区(weak inversion)下操作。如上文所解释的，有源动态反馈电路通过实现非线性反馈电阻引入了非线性。与例如按常规通常在信号整形器电路的反馈路径中提供的MOS电阻器相反，非线性尤其是通过在弱反型区偏置第一输入晶体管来实现的。

信号整形器电路的反馈路径中的MOS电阻器需要在强反型区(strong inversion)中被偏置，以便减小由于其栅极偏置引起的电阻变化，栅极偏置由于偏置生成器的PVT变化而扩展。另外，非线性是通过以下事实实现的，即第二公共节点的电位被第四电流路径中的缓冲器电路的晶体管以大电流固定，并且因而，第二公共节点变得像低阻抗节点。缓冲器电路的放大器实现了第一电流路径中的电流和第四电流路径中的电流的去耦。

由有源动态反馈电路在信号整形器级的反馈路径中有意引入的非线性使得在信号整形器电路的放大器电路的输出节点处提供的输出信号的全大信号幅度能够被施加到第一输入晶体管过驱动(overdrive)，而不会被否则会发生的缓冲器电路的第二公共节点处的电压下降所降级。

根据前端电子电路的实施例，第一和第二输入晶体管彼此匹配。此外，有源动态反馈电路的第一电流源和缓冲器电路的第二电流源可以彼此匹配。

根据前端电子电路的实施例，有源动态反馈电路包括被设置在第一电流路径和有源动态反馈电路的第六电流路径之间的电流镜，以将来自第一电流路径的电流耦合到有源动态反馈电路的第六电流路径中。有源动态反馈电路的第六电流路径连接到信号整形器电路的放大器电路的输入节点。

被设置在第一电流路径和有源动态反馈电路的第六电流路径之间的电流镜允许实现小有效跨导，即高等效电阻，同时利用足够高的电流偏置第一输入晶体管以实现速度和低偏移。

根据实施例，前端电子电路包括参考信号生成电路，其耦合到第二输入晶体管的控制节点以提供参考信号。

除了有源动态反馈电路之外，信号整形器电路还包括反馈电容器，该反馈电容器被设置在信号整形器电路的放大器电路的输入节点和放大器电路的输出节点之间。此外，信号整形器电路包括第三电流源，该第三电流源被设置在提供电源电位的端子和前端电子电路的输入端子之间。第一电流源与第三电流源匹配。放大器电路可以以单输入单输出配置或差分输入单输出配置来体现。

权利要求14中规定了光子计数电路中前端电子电路的可能应用的实施例。

光子计数电路包括根据上文所描述的实施例之一的前端电子电路。光子计数电路还包括具有光子敏感区域的光子检测器。光子检测器被配置用于当光子撞击光子敏感区域时生成电流脉冲。光子计数电路还包括连接到前端电子电路的输出端子的能量鉴别器。

光子检测器连接到前端电子电路的输入端子。前端电子电路被配置用于当电流脉冲被施加到前端电子电路的输入节点时，在前端电子电路的输出节点处生成电压脉冲。能量鉴别器被配置用于根据电压脉冲的电平来生成数字信号。

在权利要求15中规定了一种使用光子计数的原理的用于医疗诊断的设备。

如上文所规定的，该设备包括光子计数电路。该设备可以被配置为X射线装置或计算机断层扫描仪。

前端电子电路的附加特征和优点在以下详细描述中被阐述。应当理解，前述总体描述和以下详细描述都仅仅是示例性的，并且旨在提供用于理解权利要求的性质和特性的概述或框架。

附图说明

附图被包括进来以提供进一步的理解，并且被并入在说明书中并且构成说明书的一部分。如此，结合附图，从以下详细描述中将更全面地理解本公开，在附图中：

图1示出了用于电磁辐射传感器应用的前端电子电路的常规实施例，包括具有电阻反馈的差分信号整形器电路；

图2A示出了用于电磁辐射传感器应用的前端电子电路的实施例，包括具有有源动态反馈电路的差分输入信号整形器电路；

图2B示出了用于电磁辐射传感器应用的前端电子电路的实施例，包括具有有源动态反馈电路的单输入信号整形器电路；

图3A示出了用于电磁辐射传感器应用的前端电子电路的实施例，包括有源动态反馈电路，以通过增强脉冲形状来改善输入动态范围以及堆积事件期间的电流匮乏限制；

图3B示出了用于电磁辐射传感器应用的前端电子电路的第二实施例，包括通过实现非线性反馈电阻来引入非线性的有源动态反馈电路；

图4A示出了用于具有折叠式辅助放大器(folded auxiliary amplifier)的电磁辐射传感器应用的前端电子电路的有源动态反馈电路的第一实施例；

图4B示出了用于具有单级辅助放大器的电磁辐射传感器的前端电子电路的有源动态反馈电路的第二实施例；

图4C示出了用于具有折叠式共源共栅辅助放大器(folded-cascode auxiliaryamplifier)的电磁辐射传感器的前端电子电路的有源动态反馈电路的实施例；

图5A示出了具有前端电子电路的单级方案的光子计数电路的第一实施例的架构图；

图5B示出了具有前端电子电路的两级方案的光子计数电路的架构图；并且

图6示出了包括光子计数电路的用于医疗诊断的设备。

具体实施方式

图2A和图2B分别示出了用于电磁辐射传感器应用的前端电子电路10的实施例。前端电子电路10可以用作光子计数电路中的光子计数整形器。前端电子电路10包括输入端子I10，该输入端子I10被配置用于耦合到对电磁辐射(例如X射线辐射)敏感的传感器，以从传感器接收输入信号Iin。传感器可以被配置为光子检测器。前端电子电路还包括输出端子O10，以提供输出信号Vout_shaper。

前端电子电路包括信号整形器电路1000，该信号整形器电路1000包括放大器电路1100和有源动态反馈电路1200。有源动态反馈电路1200被设置在前端电子电路1000的反馈路径1001中。放大器电路1100具有耦合到前端电子电路的输入端子I10的输入节点I1100a，以及提供输出信号Vout_shaper的输出节点O1100。放大器电路1100的输出节点O1100耦合到前端电子电路10的输出端子O10。反馈电容器1300被设置在放大器电路1100的输入节点I1100a和放大器电路1100的输出节点O1100之间。

图2A示出了差分输入整形方案，其中放大器电路1100以差分输入单输出配置体现。差分输入放大器电路1100具有接收输入信号Iin的输入节点I1100a，以及接收参考信号Vref的第二输入节点I1100b。

图2B示出了前端电子电路10的单输入方案，其中放大器电路1100以单输入单输出配置体现。当与图2A所示的差分输入整形方案相比时，图2B的放大器电路1100仅包括单个输入节点I1100a以接收输入信号Iin。放大器电路1100包括输入晶体管1110，其具有耦合到单个输入节点I1100a的控制节点。放大器电路1100还包括与输入晶体管1110串联设置的电流源1120。

与如图1所示的包括电阻反馈的前端电子电路相比，图2A和图2B所示的前端电子电路10在信号整形器电路1000的反馈路径1001中包括有源动态反馈电路1200。有源动态反馈电路1200取代了图1的前端电路中的信号整形器电路的反馈电阻器。

所提出的有源动态反馈电路1200通过实现非线性反馈电阻(1/gm)引入了非线性。这种方案显著减小了脉冲宽度，并且从而减小了整形器输出的半高全宽(FWHM)，并且因而改善了堆积期间的计数率。而且，前端电子电路10改善了从堆积的恢复。因而，输入动态范围以及计数率增加，而不会在信号整形器电路中消耗过量的功率。

而且，所提出的有源动态反馈电路在信号整形器电路的高速路径内不需要控制回路，从而产生最大速度和相位裕度。另外，所提出的有源动态反馈电路允许使用单输入放大器电路1100，其可以被配置为运算跨导放大器，如图2B所示，这将进一步降低功率消耗以及前端的噪声。不在反馈路径1001中使用所提出的取代图1的前端电路方案的电阻元件1400的有源动态反馈放大器，信号整形器电路的单输入放大器电路是不可行的。

有源动态反馈电路1200不仅经由其跨导gm充当电阻，而且还在参考电压Vref下调节输出节点O1100/输出端子O10处的基线。另外，所提出的有源动态反馈电路还显著改善了信号整形器电路在功率消耗和FWHM方面的性能。

在具有上文所提到的要求的信号整形器电路1000的反馈路径1001中实现有源动态反馈电路是具有挑战性的。这些挑战背后的原因是这种电路必须满足以下要求。

首先，有源动态反馈电路1200必须与电阻相似。假设有源动态反馈电路1200将被实现为运算跨导放大器，该运算跨导放大器包括共享相同尾节点的一对输入晶体管，这可以使用放大器的输入晶体管之一的电阻1/gm来实现。然而，由于有源动态反馈电路1200必须提供非常高的电阻值，输入晶体管的跨导gm必须非常小，这可以通过小偏置电流和大过驱动电压的组合来实现。大过驱动电压通常受到电源电压和耦合到公共尾节点的电流源的饱和度的限制，而小偏置电流对速度以及有源动态反馈电路可以操作的动态范围有影响。大动态范围，即处理大脉冲或堆积事件，将导致共享相同共模尾电流的输入晶体管对的另一晶体管的匮电。

其次，有源动态反馈电路1200必须改善FWHM。有源动态反馈电路可以通过减小具有大幅度脉冲或堆积事件期间的脉冲宽度来改善FWHM。这发生在非线性方案中，与使用电阻作为反馈元件相比，非线性方案显著增强了FWHM。然而，为了发挥这一作用，有源动态反馈电路必须非常快速地处理整形器输出脉冲，并且需要具有高动态范围，在该范围内它可以有效地反应并且对输出脉冲进行重整形。从而，需要高跨导gm，这意味着输入设备处的电流相对较大。这与上文所提到的第一个要求相矛盾，在第一个要求中，为了获得足够大的反馈电阻，需要小电流。

第三，有源动态反馈电路1200必须实现低偏移。有源动态反馈电路附加地负责跟踪参考电压，并且经由反馈调整信号整形器电路的输出基线。因而，由于失配引起的偏移将引起信号整形器电路的输出节点处的对基线的偏差。一定程度的偏差是可以接受的，因为它可以通过比较器输入处的DAC进行校正。然而，过大的偏差会将跨导放大器/比较器移出输入共模范围，这是不可接受的。

图3A示出了用于电磁传感器应用(例如用于光子计数前端)的前端电子电路10的实施例，包括具有放大器电路1100、有源动态反馈电路1200和反馈电容器1300的信号整形器电路1000。信号整形器电路1000包括电流源1500，电流源1500被设置在提供电源电位VDD的端子和前端电子电路10的输入端子I10之间。前端电子电路10允许增强信号整形器电路的差分输入放大器电路的性能。另外，所提出的前端电子电路10的实施例使信号整形器电路的单输入放大器电路的实现可行。

参考图3A的前端电子电路10，有源动态反馈电路1200包括被设置在有源动态反馈电路的第一电流路径1201中的第一输入晶体管100。有源动态反馈电路1200包括被设置在有源动态反馈电路1200的第二电流路径1202中的第二输入晶体管200。第一输入晶体管100具有控制节点以接收在放大器电路1100的输出节点O1100处生成的输出信号Vout_shaper。第二输入晶体管200具有接收参考信号/电压Vref的控制节点。有源动态反馈电路1200还包括缓冲器电路300，该缓冲器电路300被设置用于使第一电流路径1201和第二电流路径1202去耦。

缓冲器电路300因此允许使第一电流路径和第二电流路径1201、1202中的偏置电流去耦，这进一步允许处理信号整形器电路1000的放大器电路1100的输出节点O1100处的大信号或与基线的大偏差，而不会使第二输入晶体管200匮电，以及不会导致输出的削波。

第一电流路径1201和第二电流路径1202分别连接在提供参考电位VSS的端子和有源动态反馈电路1200的公共节点1210之间。

有源动态反馈电路1200包括第三电流路径1203。有源动态反馈电路1200还包括电流源400，电流源400被设置在提供电源电位VDD的端子和公共节点1210之间的第三电流路径1203中。第三电流路径1203串联连接到第一电流路径1201和第二电流路径1202中的每一个。

缓冲器电路300被设置在公共节点1210和第一输入晶体管100之间，以使第一电流路径1201从第二电流路径1202去耦。缓冲器电路300包括第一输入节点I300a、第二输入节点I300b和输出节点O300。缓冲器电路300的第一输入节点I300a连接到公共节点1210。缓冲器电路300的第二输入节点I300b耦合到输出节点O300，这意味着缓冲器电路300的第二输入节点I300b可以直接连接到输出节点O300，或者可以经由反馈网络耦合到输出节点O300。

有源动态反馈电路1200引入了非线性。这尤其是通过以下事实实现的，即第一输入晶体管100可以在弱反型区下操作，这与可以被放置在常规信号整形器电路的反馈路径中的常规MOS电阻器相反。常规的MOS电阻器需要在强反型区中被偏置，以便减小由于其Vgate偏置引起的电阻变化，Vgate偏置由于偏置生成器的PVT变化而扩展。

有源动态反馈电路1200可以包括参考信号生成电路500，其耦合到第二输入晶体管200的控制节点，以提供参考信号/电压Vref。参考信号生成电路500可以校正有源动态反馈电路的偏移。参考信号生成电路可以被配置为电阻DAC(数模转换器)，以校正有源动态反馈电路放大器的偏移。

图3B示出了具有缓冲器电路300的有利实施例的图3A的前端电子电路10。

缓冲器电路300包括被设置在有源动态反馈电路1200的第四电流路径1204中的晶体管310。第一电流路径1201和第四电流路径1204并联连接在提供参考电位VSS的端子和有源动态反馈电路1200的第二公共节点1220之间。缓冲器电路300还包括电流源320。电流源320被设置在提供电源电位VDD的端子和第二公共节点1220之间的有源动态反馈电路1200的第五电流路径1205中。

根据前端电子电路10的有利实施例，第一输入晶体管100和第二输入晶体管200彼此匹配。而且，电流源400与电流源1500相匹配。此外，电流源400和电流源320彼此匹配。

缓冲器电路300还包括(辅助)放大器330。放大器330具有连接到有源动态反馈电路1200的公共节点1210的第一输入节点I330a。放大器330具有连接到有源动态反馈电路1200的第二公共节点1220的第二输入节点I330b，以及连接到晶体管310的控制节点的输出节点O330。

第一电流路径1201中的偏置电流和第四电流路径1204中的偏置电流的去耦允许在第二公共节点1220处创建低阻抗。(辅助)放大器330提供阻抗变换。具体地，电流源320的漏极处的公共尾节点1220可以从高阻抗变换为低阻抗。

非线性是通过以下事实实现的，即公共尾节点1220的电位可以由(辅助)放大器330利用大电流固定，使得公共尾节点1220变得像低阻抗节点。经由(辅助)放大器330实现第一电流路径1201中的输入电流到第四电流路径1204中的辅助电流的去耦。从而，整形器输出可以将其全大信号幅度施加到第一输入晶体管过驱动，而不会被否则会发生的尾公共节点1220处的电压下降所降级。

最后，在没有(辅助)放大器的情况下，有源动态反馈电路的放大器1100的负输入节点I1100b将会匮电，并且因而它将会对输出进行削波，尤其是在高能量和/或堆积事件中。正输入偏置电流和负输入偏置电流的去耦允许正输入中的小电流，即第一电流路径1201中的小电流，以便在反馈路径1001中获得低跨导并且因而获得高电阻，以及允许负输入(即第四电流路径1204)中的大电流，以便能够提供整形器输出的大信号所需的过量电流，而不会变得匮电和导致输出的削波。

在信号整形器电路1000的反馈路径1001中包括有源动态反馈电路1200的前端电子电路的主要技术优点可以总结如下。

如图3B所示，在信号整形器电路1000的反馈路径1001中提供有源动态反馈电路1200允许增强差分输入整形器的性能，并且使单输入整形器的实现可行。所提出的有源动态反馈电路通过增强(即减小)脉冲宽度来实现更低的FWHM，并且因而以更高的计数率操作。这是通过有意地在输入电压和输出电流之间引入高度非线性的反馈电阻(1/gm)来实现的，这与多晶硅电阻器情况下的线性关系或本体(bulk)和源极连接到整形器输出的MOS电阻器(NMOS)情况下的二次关系相反。

输入晶体管的差分对的非线性是通过使用有源反馈回路迫使其尾节点1220到恒定电压来增加的，使得第一输入晶体管100经历作为栅极-源极电压的全整形器输出电压。因而，利用了(MOS)第一输入晶体管100的漏极电流对栅极-源极电压的完全非线性关系。

如果在弱反型区中偏置，则可以实现反馈路径中电阻的指数特性，从而改善FWHM。这改善了光子计数系统的速度和堆积期间的计数率性能。弱反型区中的偏置是可能的，因为第一输入晶体管100的过驱动可以通过为有源反馈回路生成适当的参考电压，即参考电压Vref加上输入晶体管200的栅极-源极电压，来从整形器基线去耦。

同时，对于标准差分晶体管对，尾电流源320保证了PVT上稳定的电流定义。由于有源反馈回路定义了第二公共节点1220处的尾电位，所以它使第四电流路径1204中的电流从第一电流路径1201中的电流去耦。这允许第一输入晶体管100和缓冲器电路300的晶体管310的高度不对称偏置，而没有否则会发生的标准差分对中的匹配限制。

而根据高反馈电阻要求，第一输入晶体管100可以利用更低的电流来偏置，而缓冲器电路300的晶体管310可以利用大电流来偏置，以便在第二公共节点1220处实现低尾节点阻抗，并且即使对于有源反馈回路效率较差的高频也能完成尾电位箝位(tail potentialclamping)。

由于有源反馈回路和低尾节点阻抗保持第二公共节点1220处的尾节点电位恒定，而与整形器输出无关，因此像传统差分对方案中的大整形峰值的电流匮乏是不可能。当第一输入晶体管100响应于大整形峰值而汲取过量的电流时，它将由有源反馈回路或者缓冲器电路300的不对称高偏置晶体管310提供。作为结果，没有针对大整形峰值的电流匮乏，因为有源反馈回路和缓冲器电路300的晶体管310可以在第一电流路径1201中提供过量电流。

因此，堆积保护没有限制。而且，不需要提供跨导控制器来控制高速路径中的有源动态反馈电路的跨导率(transconductivity)，这允许有源动态反馈电路1200以高速操作。

有源动态反馈电路1200还包括被设置在第一电流路径1201和有源动态反馈电路1200的第六电流路径1206之间的电流镜600。电流镜600包括被设置在第一电流路径1201中的晶体管610和被设置在第六电流路径中的晶体管620。电流镜600能够将来自第一电流路径1201的电流耦合到有源动态反馈电路1200的第六电流路径1206中。有源动态反馈电路1200的第六电流路径1206连接到信号整形器电路100的放大器电路1100的输入节点I1100a。晶体管610和620各自的栅极节点可以经由至少一个电阻器630连接，以提供镜像极点补偿(mirror pole compensation)。

电流镜600允许缩减第一电流路径1201中的电流。因此，缩减电流路径1201中的电流允许实现小有效跨导，同时利用足够高的电流偏置第一输入晶体管100以实现速度和低偏移。

图4A、图4B和图4C示出了图3A和图3B所示的有源动态反馈电路1200的可能实现方式。与图3A和图3B中相同的元件在图4A至图4C中利用相同的附图标记标出。

图4A示出了具有缓冲器电路300的折叠式辅助放大器330的有源动态反馈电路1200的实现方式。辅助放大器包括耦合到偏置电流源333的差分晶体管对331、332。折叠式辅助放大器330还包括偏置晶体管334、共源共栅晶体管335和电流镜336。

图4B示出了有源动态反馈电路1200的实现方式，其具有缓冲器电路300的折叠式共源共栅辅助放大器330。折叠式共源共栅辅助放大器330包括差分晶体管对331、332、偏置电流晶体管333、偏置晶体管334、第一共源共栅级335、第二共源共栅级337和电流镜336的晶体管。

图4C示出了具有缓冲器电路300的单级辅助放大器330的有源动态反馈电路1200的可能实现方式。辅助放大器330包括差分晶体管对331、332、偏置晶体管333和电流镜338。

所提出的前端电子电路10的设计包括信号整形器电路1000，其在反馈路径1001中具有有源动态反馈电路1200，可以在具有如图5A所示的单级架构或如图5B所示的两级架构方案的光子计数电路中提供。图5A和图5B示出了差分输入配置中的有源动态反馈电路1200。在单输入配置中实现有源动态反馈电路1200也是可能的。

参考图5A的光子计数电路2的单级架构，具有光子敏感区域21的光子检测器20连接到前端电子电路10的输入端子I10。光子检测器20被配置用于当光子撞击光子敏感区域21时生成电流脉冲。

前端电子电路10被配置用于当由光子检测器20生成的电流脉冲被施加到前端电子电路10的输入端子I10时，在输出节点O10处生成输出信号Vout_shaper的电压脉冲。整形器输出电压Vout_shaper然后还由能量鉴别器30的几个鉴别器电路30a、……、30n处理。能量鉴别器30被配置用于根据输出端子O10处的电压脉冲的电平来生成数字信号。然后，鉴别器的输出馈入计数器40的计数器电路40a、……、40n。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。计数器输出可以由图5A中未示出的DSP(数字信号处理器)处理。

对于小且固定的输入电容，可以采用图5A所示的光子计数电路2的单级架构。对于大且变化的输入电容，可以使用如图5B所示的光子计数电路2的两级架构方案。

参考图5B的光子计数电路2的两级架构方案，信号整形器电路1000经由电荷敏感放大器电路2000耦合到输入端子I10，该电荷敏感放大器电路2000用作缓冲器，以使信号整形器电路1000从输入端子I10处的输入电容去耦。电荷敏感放大器电路2000包括运算跨导放大器2100、反馈电阻器2200和反馈电容器2300。电荷敏感放大器电路2000和信号整形器电路1000通过耦合网络3000耦合，该耦合网络3000包括电阻器3100和电容器3200的并联连接。

当在光子计数应用的前端电子电路的信号整形器电路中使用有源动态反馈电路1200时，可以实现小FWHM，这提供了速度和计数率方面的预算，以增加反馈电容器1300的电容。通过增加电容器1300的电容，可以实现低弹道缺陷。

除了在光子计数应用中使用前端电子电路10之外，所提出的包括如图3A、图3B或图4A至图4C所示的有源动态反馈电路1200的前端电子电路10的配置可以用于各种X射线成像应用，诸如计算机断层扫描，安全、食品或行李检查，材料和电子产品缺陷检查等。

图6示出了应用的示例，其中在用于医疗诊断的设备1中提供了光子计数电路2，该光子计数电路2配备有根据图3A、图3B或图4A至图4C所示的方案之一的前端电子电路10。用于医疗诊断的设备1可以被配置为例如X射线装置或计算机断层扫描仪。

为了达到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的实施例，但是本领域技术人员可以在不会不必要地偏离权利要求的范围的情况下，对所公开的构思进行许多改变、修改、等同和替换。

具体地，前端电子电路的设计不限于所公开的实施例，并且给出了所讨论的实施例中所包括的特征的尽可能多的替代方案的示例。然而，意图将所公开的构思的任何修改、等同和替换都包括在所附权利要求的范围内。

单独的从属权利要求中记载的特征可以有利地组合。而且，权利要求中使用的附图标记不限于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。另外，如本文所使用的，冠词“一”旨在包括一个或多于一个的组件或元件，并且不限于被解释为仅意味着一个。

本专利申请要求申请号为102021111362.8的德国专利申请的优先权，其公开内容通过引用并入于本文。

附图标记列表

1 用于医疗诊断的设备

2 光子计数电路

10 前端电子电路

20 光子检测器

30 能量鉴别器

40 计数器

100 第一输入晶体管

200 第二输入晶体管

300 缓冲器电路

310 晶体管

320 电流源

330 放大器

400 电流源

500 参考信号生成电路

600 电流镜

1000 信号整形器电路

1100 放大器电路

1200 有源动态反馈电路

1300 电容器

2000 电荷敏感放大器电路

2100 运算跨导放大器

2200 反馈电阻器

2300 电容器

3000 耦合网络

3100 电容器

3200 电阻器

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：

-输入端子(I10)，其被配置用于耦合到电磁辐射传感器以接收来自所述传感器的输入信号(Iin)，

-提供输出信号(Vout_shaper)的输出端子(O10)，

-信号整形器电路(1000)，包括放大器电路(1100)和有源动态反馈电路(1200)，所述有源动态反馈电路(1200)被设置在所述信号整形器电路(1000)的反馈路径(1001)中，

-其中，所述放大器电路(1100)具有耦合到所述输入端子(I10)的输入节点(I1100a)以及提供所述输出信号(Vout_shaper)的输出节点(O1100)，所述输出节点(O1100)耦合到所述输出端子(O10)，

-其中，所述有源动态反馈电路(1200)包括被设置在所述有源动态反馈电路的第一电流路径(1201)中的第一输入晶体管(100)，以及被设置在所述有源动态反馈电路(1200)的第二电流路径(1202)中的第二输入晶体管(200)，

-其中，所述第一输入晶体管(100)具有接收所述输出信号(Vout_shaper)的控制节点，

-其中，所述第二输入晶体管(200)具有接收参考信号(Vref)的控制节点，

-其中，所述有源动态反馈电路(1200)包括缓冲器电路(300)，所述缓冲器电路被设置用于使所述第一电流路径和所述第二电流路径(1201，1202)去耦。

2.根据权利要求1所述的前端电子电路，

-其中，所述第一电流路径(1201)和所述第二电流路径(1202)分别连接在提供参考电位(VSS)的端子和所述有源动态反馈电路(1200)的公共节点(1210)之间，

-其中，所述缓冲器电路(300)被设置在所述公共节点(1210)和所述第一输入晶体管(100)之间。

3.根据权利要求2所述的前端电子电路，

-其中，所述有源动态反馈电路(1200)包括第三电流路径(1203)，

-其中，所述有源动态反馈电路(1200)包括电流源(400)，所述电流源被设置在提供电源电位(VDD)的端子和所述公共节点(1210)之间的所述第三电流路径(1203)中，

-其中，所述第三电流路径(1203)串联连接到所述第一电流路径和所述第二电流路径(1201，1202)中的每一个。

4.根据权利要求3所述的前端电子电路，

-其中，所述缓冲器电路(300)包括第一输入节点和第二输入节点(I300a、I300b)以及输出节点(O300)，

-其中，所述缓冲器电路(300)的所述第一输入节点(I300a)连接到所述公共节点(1210)，

-其中，所述缓冲器电路(300)的所述第二输入节点(I300b)耦合到所述缓冲器电路(300)的所述输出节点(O300)，

-其中，所述缓冲器电路(300)的所述输出节点(O300)连接到所述第一输入晶体管(100)。

5.根据权利要求3或4所述的前端电子电路，

-其中，所述缓冲器电路(300)包括晶体管(310)和电流源(320)，

-其中，所述晶体管(310)被设置在所述有源动态反馈电路(1200)的第四电流路径(1204)中，

-其中，所述第一电流路径(1201)和所述第四电流路径(1204)并联连接在提供参考电位(VSS)的端子和所述有源动态反馈电路(1200)的第二公共节点(1220)之间，

-其中，所述电流源(320)被设置在提供电源电位(VDD)的端子和所述第二公共节点(1220)之间的所述有源动态反馈电路(1200)的第五电流路径(1205)中。

6.根据权利要求5所述的前端电子电路，

其中，所述缓冲器电路(300)包括放大器(330)，所述放大器具有连接到所述有源动态反馈电路(1200)的所述公共节点(1210)的第一输入节点(I330a)、连接到所述有源动态反馈电路(1200)的所述第二公共节点(1220)的第二输入节点(1330b)、以及连接到所述晶体管(310)的控制节点的输出节点(O330)。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的前端电子电路，包括：

参考信号生成电路(500)，其耦合到所述第二输入晶体管(200)的所述控制节点，以提供所述参考信号(Vref)。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的前端电子电路，

-其中，所述有源动态反馈电路(1200)包括电流镜(600)，其被设置在所述第一电流路径(1201)和所述有源动态反馈电路(1200)的第六电流路径(1206)之间，以将来自所述第一电流路径(1201)的电流耦合到所述有源动态反馈电路(1200)的所述第六电流路径(1206)中，

-其中，所述有源动态反馈电路(1200)的所述第六电流路径(1206)连接到所述信号整形器电路(1000)的所述放大器电路(1100)的所述输入节点(1100a)。

9.根据权利要求8所述的前端电子电路，

-其中，所述电流镜(600)包括被设置在所述第一电流路径(1201)中的第一镜像晶体管(610)和被设置在所述第六电流路径(1206)中的第二镜像晶体管(620)，

-其中，所述电流镜(600)包括至少一个电阻器(630)，其被设置在所述第一镜像晶体管(610)的栅极节点和所述第二镜像晶体管(620)的栅极节点之间。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的前端电子电路，

其中，所述第一输入晶体管(100)在弱反型区下操作。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的前端电子电路，

-其中，所述第一输入晶体管和所述第二输入晶体管(100，200)彼此匹配，和/或

-其中，所述第一电流源(400)和所述第二电流源(320)彼此匹配。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的前端电子电路，

-其中，所述信号整形器电路(1000)包括被设置在所述放大器电.路(1100)的所述输入节点(I1100a)和所述放大器电路(1100)的所述输出节点(O1100)之间的反馈电容器(1300)，

-其中，所述信号整形器电路(1000)包括被设置在提供电源电位(VDD)的端子和所述输入端子(I10)之间的第三电流源(1500)，

-其中，所述第一电流源(400)与所述第三电流源(1500)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，所述放大器电路(1100)以单输入单输出配置或以差分输入单输出配置体现。

14.一种光子计数电路，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)，

-具有光子敏感区域(21)的光子检测器(20)，所述光子检测器(20)被配置用于当光子撞击所述光子敏感区域(21)时生成电流脉冲，

-连接到所述前端电子电路(10)的所述输出端子(O10)的能量鉴别器(30)，

-其中，所述光子检测器(20)连接到所述前端电子电路(10)的所述输入端子(I10)，

-其中，所述前端电子电路(10)被配置用于当所述电流脉冲被施加到所述前端电子电路(10)的所述输入节点(I10)时，在所述前端电子电路(10)的所述输出节点(O10)处生成电压脉冲，

-其中，所述能量鉴别器(30)被配置用于根据所述电压脉冲的电平来生成数字信号。

15.一种用于医疗诊断的设备，包括：

-根据权利要求14所述的光子计数电路(2)，

-其中，所述设备(1)被配置为X射线装置或计算机断层扫描仪。