CN201707442U - 补偿电路及辐射探测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种补偿电路及辐射探测系统，该补偿电路设置在辐射探测系统的第一级放大器输出端和第二级放大器输入端之间，该补偿电路包括：两个电阻和一个电容，第一电阻与电容并联，其连接点与第二电阻串联。本实用新型提供的补偿电路应用在辐射探测系统中，在不影响读出电路第一级环路增益稳定性的前提下，能够增大第二级环路的相位裕度，增加系统的稳定性，提高读出速率；且结构简单，成本低廉，易于实现。

Description

补偿电路及辐射探测系统

技术领域

本实用新型涉及探测系统领域，特别涉及一种补偿电路及辐射探测系统。

背景技术

辐射探测系统(radiation detector)是用于对核辐射和粒子的微观现象进行观察和研究的传感器件，在高能物理、军事、工农业、医学、天文等领域有着重要的应用，其核心部件包括粒子探测器和读出电路两部分。粒子探测器的作用是实现光电转换，读出电路的作用是完成电荷脉冲信号的处理和读出。读出电路对辐射探测系统的性能有重要影响。近年来，随着互补金属氧化物半导体(ComplementaryMetal Oxide Semiconductor，简称CMOS)工艺的发展，大规模CMOS辐射探测器读出电路已经成为主流。

如图1-4所示，图1是现有技术辐射探测系统结构示意图，图2是现有技术辐射探测系统的读出电路的电路图，图3是现有技术脉冲成形器闭环反馈结构电路图；图4是现有技术脉冲成形器中运算放大器的电路图；辐射探测系统包括粒子探测器1，前端放大器2、脉冲成形器3、甄别器4和计数器5几部分，其中前端放大器2，脉冲成形器3，甄别器4和计数器5组成辐射探测系统的读出电路。

对于前端放大器，为减少因探测器电容不同对电荷脉冲信号放大增益产生的影响，一般选用电容反馈积分器形式，构成电荷灵敏放大器(Charge Sensitive Amplifier，简称CSA)。同时为避免放大器饱和，采用反馈电阻来对电荷进行泄放。这种采用电阻反馈进行连续复位的放大器，其典型的输出波形为一很陡的上升沿，及缓慢衰减的下降沿(指数变化)，衰减时间常数通常由反馈电阻和反馈电容来决定。脉冲阶跃幅度代表探测器得到的粒子能量。电荷灵敏放大器输出信号的时域表达式为：

$v_o\left(t\right)=\frac{Q\·{\mathrm{\τ}}_1}{C_f\·({\mathrm{\τ}}_1-{\mathrm{\τ}}_2)}(e^{-t/{\mathrm{\τ}}_1}-e^{-t/{\mathrm{\τ}}_2})$

$\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_1}=\frac{1}{R_f{C}_f},$ $\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_2}=\frac{g_m{C}_f}{C_t\·(C_f+C_L)}=\frac{\mathrm{GBW}\·C_f}{C_t}$

其中，Q为输入电荷总量，由粒子在探测器介质中损失的能量决定。电路稳定所需条件为：上升时间为

二者之间存在折中。

随着计数率的升高，脉冲间的累积效应更加显著。因此在对CSA输出信号进行甄别处理之前，采用脉冲成形器对其进行滤波，限制带宽降低噪声，以得到更小的衰减时间。也即采用两个基于运算放大器的反馈环路级联的结构。另外出于稳定性考虑CSA反馈电容不能取的很小，因而输出信号幅度较小，需要对其进一步放大。从输入电荷到脉冲整形器输出电压的传输函数为：

$\frac{v_{o2}}{Q_{\mathrm{in}}}=\frac{R_{\mathrm{eff}}}{1+\mathrm{as}+{\mathrm{bs}}^2}\·\frac{s{C}_2{R}_4}{1+\mathrm{cs}+{\mathrm{ds}}^2}$

由于辐射探测系统电路功耗非常低，小电流导致小的带宽，因此实际电路的传输函数比上式含有更多的极点，从而导致稳定性问题，表现在输出脉冲波形上则会出现除传输函数本身零点造成的下过冲以外的震荡过冲。这些幅度渐衰的过冲会限制粒子计数率，并降低辐照能量的测量精度，甚至造成电路无法正常工作。采用两个反馈环路直接级联的结构，即使运算放大器本身满足稳定性要求，在构成闭环回路后也会产生稳定性问题。

实用新型内容

(一)要解决的技术问题

本实用新型要解决的技术问题是提供一种补偿电路及辐射探测系统，以解决现有的辐射探测系统稳定性差，辐照能量的测量精度低，读出信号速率慢等缺陷。

(二)技术方案

为此，本实用新型提供了一种补偿电路，设置在辐射探测系统的第一级放大器输出端和第二级放大器输入端之间，包括：

两个电阻和一个电容，第一电阻与电容并联，其连接点与第二电阻串联。

本实用新型还提供了一种辐射探测系统，包括粒子探测器，与所述粒子探测器相连接的前端放大器，与所述前端放大器相连接的脉冲成形器，与所述脉冲成形器相连接的甄别器，以及与所述甄别器相连接的计数器，还包括：

补偿电路，设置在所述前端放大器输出端和脉冲成形器输入端之间，包括：两个电阻和一个电容，第一电阻与电容并联，其连接点与第二电阻串联。

(三)有益效果

上述技术方案具有如下有益效果：通过在第一级放大器和第二级放大器之间设置补偿电路增加辐射探测系统的极点和零点，在不影响第一级环路增益稳定性的前提下，增加了第二级环路的相位裕度；同时提高了读出信号的速率，在未增加系统总功耗的情况下增加了系统稳定性；且成本低廉，结构简单，易于实现。

附图说明

图1是现有技术辐射探测系统结构示意图；

图2是现有技术辐射探测系统的读出电路的电路图；

图3是现有技术脉冲成形器闭环反馈结构电路图；

图4是现有技术脉冲成形器中运算放大器的电路图；

图5是现有技术脉冲成形器环路增益频率特性曲线示意图；

图6是本实用新型补偿电路结构示意图；

图7是本实用新型辐射探测系统的结构示意图；

图8是本实用新型辐射探测系统的读出电路的电路图；

图9是本实用新型脉冲成形器环路增益频率特性曲线示意图。

其中，1：粒子探测器；2：电荷灵敏放大器；3：脉冲成形器；4：甄别器；5：计数器；6：补偿电路。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。

如图6所示，为本实用新型补偿电路结构示意图，本实施例包括：两个电阻R5、R6和一个电容C5。其中电阻R5和电容C5并联，其并连连接点再与电阻R6串联连接。

将本实施例的补偿电路设置在辐射探测系统的第一级放大器输出端和第二级放大器输入端之间，能够在不影响第一级环路增益稳定性的前提下，增加了第二级环路的相位裕度；同时能够提高读出信号的速率。

如图7所示，为本实用新型辐射探测系统实施例一结构示意图，再如图8所示，为本实用新型辐射探测系统的读出电路的电路图；本实施例包括：粒子探测器1、电荷灵敏放大器2、脉冲成形器3、甄别器4、计数器5以及补偿电路6。其中电荷灵敏放大器2、脉冲成形器3、甄别器4和计数器5构成了辐射探测系统的读出电路。其中CSA2由第一级放大器A1、电阻R1、电阻R2和电阻R3，以及电容C1，电容C2构成，是粒子探测器1与读出电路的接口，对粒子辐射产生的电荷包进行接收与积分；脉冲成形器3与CSA2相连接，为一带通滤波器，由第二级放大器A2、电阻R4，电容C3和电容C4构成，对CSA2输出的脉冲信号进行降噪和整形；甄别器4与脉冲成形器3相连接，为一滞回比较器，用于减少噪声干扰的影响，对脉冲信号与阈值进行比较，并将比较结果送入计数器5进行统计。补偿电路6设置在第一级放大器A1的输出端和第二级放大器A2的输入端之间。包括电阻R5、电阻R6和电容C5，电阻R5和电容C5并联之后，再与电阻R6串联。

本实用新型补偿电路的原理为：

对于脉冲成形器，其环路增益可以写为：

$T_2\left(s\right)=\frac{A_{\mathrm{dc}2}(1-s/{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{nz}})(1+s/{\mathrm{\ω}}_{z2})}{(1+s/{\mathrm{\ω}}_{d2})(1+s/{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{nd}2})(1+s/{\mathrm{\ω}}_{p2})}$

其中

${\mathrm{\ω}}_{z2}=\frac{1}{C_{f2}{R}_{f2}}$

${\mathrm{\ω}}_{p2}=\frac{1}{(C_{f2}+C_{i2})R_{f2}}$

${\mathrm{\ω}}_{d2}=\frac{1}{C_C{R}_{\mathrm{out}1}{g}_{m6}{R}_{\mathrm{out}2}}$

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{nd}2}=\frac{g_{m6}}{C_O(1+\frac{C_{g6}}{C_C})}$

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{nz}}=\frac{g_{m6}}{C_C}$

可以看到ω_d2、ω_p2频率都比较低，ω_d2主要是补偿后的极点分裂的结果，而ω_p2由于C_i2、R_f2取值都比较大，并且在插入补偿结构之前，C_i2一端存在的CSA的高输出阻抗节点，使整个系统的主极点与第一非主极点之间难以分开，在负零点ω_Z2开始对相位进行补偿之前就已经产生了较大的相移，相位裕度很难满足要求。插入补偿结构改进之后，补偿电阻R6(取值较小，仅几K欧量级)屏蔽了CSA输出大电阻的影响，使ω_p2向更高频的方向移动，与负零点进行补偿。构成本实用新型补偿电路的几个无源元件的取值需要根据输入信号脉冲到来的速度要求，与预放大器和脉冲成形器的反馈电阻电容一起确定，若取值过大会增加高阻抗节点，不利于电路稳定并且浪费芯片面积；取值过小则很难有效起到补偿效果。速度要求比较高的时候，需要脉冲成形器提供较小的峰值时间，对应的反馈电阻电容较小，这就要求补偿电路元件取值也相应减小。图5是现有技术脉冲成形器环路增益频率特性曲线示意图，图9是本实用新型脉冲成形器环路增益频率特性曲线示意图，比较图5和图9可以看到幅频特性频带展宽，图5中相频曲线上的局部“谷点”在图9中被抬高，幅频、相频特性曲线有所平缓，相位裕度增加，稳定性增强。

现有技术中也有采用此种电阻电容级联于两级放大器之间的例子，但其主要是通过设计电阻电容参数值来对CSA中的极零点进行抵消，减小输出信号的下过冲。本实用新型中的电阻电容参数取值主要是满足对第一、二级放大器环路增益频率特性的调整，以达到稳定工作的目的而进行考虑的。

下面通过仿真实验对本实用新型的稳定性进行验证，本实施例以结电容约为30pF的辐射探测系统读出电路为例，其结构如图4所示，为适应1MHz的计数率要求，为了保证一定的输出信号幅度，在输出端Vout增加了一级10倍同相放大器作为增益级，以满足幅度检测要求。

此外，采用一不加补偿电路的现有辐射探测器读出电路作参照，其结构如图2所示，为排除干扰因素的影响，两种结构中第一级放大器A1和第二级放大器A2内部对应的元件参数取值完全一致。经stb(Spectre中的稳定性分析)仿真，结果如表1所示。

表1：现有读出电路输出级与本实用新型读出电路输出级稳定性对比

现有读出电路

本实用新型读出电路

如图5所示，为本实用新型辐射探测系统环路增益频率特性曲线示意图，再如表1所示，可以得出，由于本实用新型添加了补偿电路，在不影响第一级环路增益稳定性的前提下，增加了第二级放大器的相位裕度。并且提高了读出速率，增加了系统稳定性，并且未增加总功耗。

对于现有读出电路中的简单电容耦合，由于实际CSA中R_fC_f并非无穷大，CSA的输出信号不是阶跃信号，而是以时间常数R_fC_f衰减，传输函数

$\frac{v_{o2}}{Q_{\mathrm{in}}}=\frac{R_{\mathrm{eff}}}{1+s{C}_1{R}_{\mathrm{eff}}}\·\frac{{\mathrm{sC}}_2{R}_4}{1+s{C}_3{R}_4}$

说明CSA的输出信号经过一级高通滤波后会产生与R_fC_f相同时间常数的下过冲，因此导致处理一个信号所需的时间非常长，限制了粒子计数率。若在此期间有新的信号到来，电压在此负过冲上叠加，将导致记录的峰值比实际脉冲幅度小，降低辐照能量的测量精度。而通过本实用新型补偿电路增加极点、零点，对CSA、脉冲成形器闭环传输函数当中的极点零点进行补偿，以增加传输函数的复杂度，来换取闭环稳定性，有利于减小过冲，提高脉冲处理速度。

同时，与现有读出电路相比，本实用新型补偿电路的加入并未改变交流耦合，前级CSA仍然不会对后级电路的直流工作点产生影响，第一级、第二级放大器环路可根据计数率要求相对独立的进行参数优化，并未增加设计复杂度。而且，本实用新型补偿电路不会带来额外的电流消耗，适用于低功耗应用。

由以上实施例可以看出，本实用新型实施例通过在第一级放大器和第二级放大器之间设置补偿电路增加辐射探测系统的极点和零点，在不影响第一级环路增益稳定性的前提下，增加了第二级环路的相位裕度；同时提高了读出信号的速率，在未增加系统总功耗的情况下增加了系统稳定性；且成本低廉，结构简单，易于实现。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (2)

1.一种补偿电路，设置在辐射探测系统的第一级放大器输出端和第二级放大器输入端之间，其特征在于，所述补偿电路包括：

两个电阻和一个电容，第一电阻与电容并联，其连接点与第二电阻串联。

2.一种辐射探测系统，包括：粒子探测器，与所述粒子探测器相连接的前端放大器，与所述前端放大器相连接的脉冲成形器，与所述脉冲成形器相连接的甄别器，以及与所述甄别器相连接的计数器，其特征在于，还包括如权利要求1所述的补偿电路，设置在所述前端放大器输出端和脉冲成形器输入端之间。

Images