JP2012510148A - 電荷パルス検出回路 - Google Patents

Abstract

本発明は、とりわけ、電荷パルス振幅及び時間検出回路に関し、きわめて小さい振幅及び時間的な雑音を提供し、かつ、従来技術による電荷パルス検出回路における雑音特性限界を克服するものである。本発明の実施形態は、電荷パルスを検知ノード上に供給する検知装置、低いインピーダンスを備えた検知ノード上の電圧をバッファリングする能動バッファ、信号電荷を検知ノードから除去する再充電装置、及び、再充電装置からの雑音を減衰させるとともに信号電圧パルスを送信する能動バッファの出力に接続された雑音フィルタを含んでもよい。さらなる及び別の実施形態が、詳細に説明され、かつ、権利を主張される。

Description

本発明は、一般的には、電荷パルス及び電流パルスの大きさ及び時間を検出する回路に関する。より詳細には、本発明は、光電子検知装置及びその装置のアレイを用いた電荷パルス検出回路に関し、また、Ｘ線フォトンを検出及び計数する応用機器に関する。

電流パルス検出回路は、検知された物理的特性を表現する電荷を供給することのできる検知装置を含むセンサーを含めて幅広い応用機器に使用されている。検知された物理的特性の微小な変化を検出するために、広い帯域幅において大きい電荷−電圧変換率及び小さい雑音を提供する検出回路は、きわめて興味を持たせるものである。

図１を参照すると、最先端の電荷パルス検出回路は、通常、検知された物理的特性を表現するある量の電荷を入力ノード１１１に供給する検知装置１０１と、容量帰還増幅器を形成するように構成された反転増幅器１０２及び検知コンデンサ１０３と、検知コンデンサ１０３に並列に配置された再充電抵抗１０４と、寄生キャパシタンスであってもよい入力コンデンサ１０５とを備える。検知装置１０１及び大きな値の再充電抵抗１０４によって供給される短電流パルスに対して、増幅器１０２は、入力電流パルスの蓄積電荷及び検知コンデンサ１０３の容量値によって定義されるパルス波高を備えた電圧パルスを出力ノード１１２上に生成する。その後、入力電荷は、再充電抵抗１０４を介して入力ノード１１１からゆっくりと除去され、安定したＤＣ動作電圧点が、増幅器１０２及び再充電抵抗１０４の帰還動作によって、入力ノード１１１上に確立される。最先端の電荷パルス検出回路が、Ｇ．Ｌｕｔｚ，“Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｒａｄｉａｔｉｏｎ Ｄｅｔｅｃｔｏｒｓ”，ｐｐ．１９０，Ｓｐｒｉｎｇｅｒ，Ｂｅｒｌｉｎ；Ｈｅｉｄｅｌｂｅｒｇに記載されている。

回路解析は、十分に大きい積（利得×帯域幅）を備えた反転増幅器１０２の場合、電荷検出回路の出力電圧に対する入力電流のトランスインピーダンス関数（ｔｒａｎｓｉｍｐｅｄａｎｃｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ）は以下のように近似されてもよいことを示している。

ここで、ｖ_ｏは、出力ノード１１２上のａｃ電圧であり、ｉ_ｉｎは、検知装置１０１によって供給されるａｃ電流であり、Ｃ_ｌは、出力ノード１１２に接続された負荷容量であり、ｇｍ_Ａは、増幅器１０２の相互コンダクタンスであり、Ｒ_ｒは、再充電抵抗１０４の抵抗値であり、Ｃ_ｓは、検知コンデンサ１０３の容量値であり、Ｃ_ｉは、入力ノード１１１からａｃグラウンド・ノードまでの容量の和であり、ｓは、複素信号周波数である。代わりとなる数学的な項がトランスインピーダンス関数の近似値を表現するのに使用されてもよいことに注意されたい。

１／２πＲ_ｒＣ_ｓよりも高いがゼロ周波数及び第２極周波数よりも低い周波数に対して、トランスインピーダンスは、１／ｓＣｓすなわち検知容量インピーダンスにほぼ等しい。したがって、Ｃ_ｓが小さくかつＲ_ｒＣ_ｓが検出された電流パルスの幅よりも長いならば、大きい電荷−電圧変換率を達成することができる。

説明された最先端の電流パルス検出回路における主たる雑音発生源は、増幅器１０２及び再充電抵抗１０４である。増幅器１０２に起因する雑音は、負荷容量、増幅器相互コンダクタンス、及び、増幅器トランジスタ・デバイス面積を増大させることによって、任意に低減されてもよい。上述したものと同じ仮定における回路解析は、再充電抵抗１０４によって発生する熱雑音による出力雑音電力スペクトル密度の次の近似値をもたらす。

代わりとなる数式が再充電抵抗雑音電力スペクトル密度の近似値を表現するのに使用されてもよいことに注意されたい。高い周波数におけるゼロ及び第２極の影響を無視すれば、再充電抵抗雑音に等価な入力ノード電荷ＲＭＳ変動ｑ_{ｎｉ，Ｒｒ，ｐｒｉｏｒ ａｒｔ}は、以下のように近似することができる。

ここで、ｋは、ボルツマン定数であり、Ｔは、単位がＫである絶対温度である。別の代わりとなる式が再充電抵抗雑音等価入力電荷を表現するのに使用されてもよいことに注意されたい。検知装置１０１によって供給される少ない電荷量において小さな検出回路雑音すなわち大きな信号対雑音比を達成するためには、小さな容量値を有する検知コンデンサ１０３が望ましいことがわかる。しかしながら、容量値Ｃｓに対する現実的な限界が存在し、この限界は、主として、製造プロセスの制約によって決定される。したがって、最先端のパルス検出回路の雑音特性は、特定のプロセス技術に制限される。

本発明は、とりわけ、電荷パルス検出回路に関するものである。本発明の実施形態は、検知した物理的特性の大きさを表現する電荷パルスを検知ノード上に供給する検知装置と、検知ノードからバッファ出力ノードへの電圧をバッファリングする能動バッファ回路と、物理的又は仮想的なＤＣ電位にまで検知ノードを再充電する高いが有限のＤＣインピーダンスを備えた再充電装置と、再充電装置からの雑音を減少させるためにバッファの出力電圧をフィルタリングしかつ出力電圧を出力ノード上に提供する雑音フィルタ回路とを備えてもよい。この出力ノード上において観察される再充電装置による雑音は、例えば、５０、４０、３０、又は、２０個の電子又は正孔よりも少ない等価ＲＭＳ変動にまで減少する。これは、例えば、検知ノード上において観察される再充電装置によるフィルタリングされない雑音の値よりも数倍だけ小さい。例えば、フィルタリングされた雑音は、フィルタリングされない雑音の値の０．５、０．３、０．２、又は、０．１倍であることもある。

実施形態は、能動バッファとして、ＭＯＳソース・フォロワ回路を使用してもよい。

実施形態は、能動バッファとして、１よりも大きい電圧利得を提供する反転電圧増幅器を使用してもよい。

実施形態においては、再充電装置は、検知ノードとＤＣ電位との間に接続された抵抗によって、具体化されてもよい。

実施形態においては、再充電装置は、反転電圧増幅器の検知ノードと出力ノードとの間に接続された再充電抵抗によって具体化され、さらに、この反転電圧増幅器の入力ノードは、検知ノードに接続されてもよい。

実施形態は、再充電装置としてスイッチを使用してもよく、このスイッチは、第１の状態において、低いインピーダンスを備えた物理的又は仮想的なＤＣ電位に検知ノードを接続し、かつ、第２の状態において、この実施形態に関しては、比較的に高いインピーダンス、理想的には、実質的に無限のインピーダンスを介して、検知ノードをこのＤＣ電位から分離する。「分離する」という用語及びこれの文法的な変形は「実質的に」分離するという意味も包含することに注意すべきである。ＭＯＳトランジスタがスイッチとして使用される場合、このスイッチのインピーダンスは、このスイッチの開状態において、例えば、１０^１２オームより高くてもよい。

実施形態は、帯域通過周波数領域動作又は高域通過周波数領域動作を提供する雑音フィルタを使用してもよい。雑音フィルタは、負荷コンデンサを例えば最大で数ピコ・ファラッドまで駆動することができるほど十分に低い出力インピーダンスを備えた電荷パルス検出回路をもたらす能動回路を含んでもよい。

実施形態は、電圧増幅度を通過帯域の周波数に提供する能動帯域通過フィルタ又は高域通過フィルタを雑音フィルタとして使用してもよい。

本発明の実施形態は、例えば、電子又は正孔が１つのパルスあたり２個から１００個までの範囲に存在するきわめて小さい検出限界を備えた電荷パルスの非同期連続振幅及び到着時間検出を可能にする。本発明は、使用されない周波数レンジにおける雑音フィルタリングによって、検出されたパルスの幅を知ることを利用する。本発明の実施形態は、標準的な集積回路製造技術を用いて、例えば、５、３、４、又は、１マイクロ秒の範囲に存在するようなかなり長いパルスに適合されてもよく、また、例えば、２０、１０、５、３、又は、１ナノ秒の範囲に存在するようなきわめて短いパルスに適合されてもよい。本発明の実施形態は、１次元又は２次元の集積回路センサー・アレイにおける画素回路として使用されてもよいコンパクトな回路として組み立てることが可能である。

本発明の特徴及び利点が、ただ単に例として提供された本発明のいくつかの実施形態に関する以下の説明を添付の図面を参照して考察することによって明らかとなる。

従来技術による電荷パルス検出回路を示す概略図である。 本発明の実施形態による電荷パルス検出回路の全体構造の実施形態を示す概略図である。 本発明の実施形態によるＭＯＳトランジスタを用いた特定の電荷パルス検出回路を示す概略図である。 図３に概略的に示される実施形態に対応する出力電圧に対する入力信号電流のトランスインピーダンス関数を示す概略図である。 図３に概略的に示される実施形態に対応する再充電装置によって生成される雑音のフィルタリングされない電力スペクトル密度及びフィルタリングされた電力スペクトル密度を示す概略図である。 本発明の別の実施形態による反転電圧増幅器及び検知ノードと反転電圧増幅器の出力との間に接続された再充電装置を備えた特定の電荷パルス検出回路を示す概略図である。 本発明の別の実施形態による電圧増幅度を信号電圧パルスに提供する能動帯域通過型雑音フィルタを備えた特定の電荷パルス検出回路を示す概略図である。 本発明のさらに別の実施形態による特定の電荷パルス検出回路を示す概略図であり、ここでは、再充電装置は、検知ノードをリセットするために閉じられかつパルス検出中には開いたままであるリセット・スイッチによって実施される。

[略号の説明]
ＲＭＳ・・・二乗平均平方根
ＤＣ・・・直流
ＡＣ・・・交流
ＭＯＳ・・・金属酸化物半導体
ＣＭＯＳ・・・相補型金属酸化物半導体
ＰＳＤ・・・電力スペクトル密度
Ｗ／Ｌ・・・ＭＯＳトランジスタのゲート長に対するゲート幅の比。

以下においては、本発明のいくつかの実施形態が説明される。これらの実施形態は、例とみなされるべきであり、また、選択されたこれらの実施形態は、本発明を限定するものであると解釈されるべきではない。本発明の範囲を逸脱することなく、当業者は、説明される実施形態の変更を考え出すことができるかもしれない。

図２を参照すると、本発明の実施形態は、場合によっては以下の構成要素を備えてもよいが、必ずしも以下の構成要素を備えなくてもよい。
− 検知された物理的特性の大きさを表現する電荷パルスを検知ノード２１１に供給及び提供する検知装置２０１。
− 入力が検知ノード２１１に接続されかつ出力がバッファ出力ノード２１２に接続された能動バッファ２０２。一実施形態においては、能動バッファ２０２は、電圧増幅度を提供してもよい。別の実施形態においては、能動バッファ２０２は、電圧増幅度を提供しない。
− 少なくとも１つの第１の端子が検知ノード２１１に接続されかつ少なくとも１つの第２の端子が定電位か又はバッファ出力ノード２１２に接続された再充電装置２０４。
− 入力がバッファ出力ノード２１２に接続されかつ出力が出力ノード２１３に接続された連続時間雑音フィルタ２０６。
− 検知ノード２１１とＤＣ電位との間に接続された検知コンデンサ２０５。検知コンデンサ２０５は、寄生キャパシタンスであってもよい。

検知装置２０１によって検知ノード２１１上に供給及び提供される電荷パルスは、検知ノード２１１上の電圧の遷移をもたらし、遷移時間は、電荷パルス幅に実質的に等しい。「等しい」という用語はここで使用される場合「実質的に等しい」という意味を包含することに注意されたい。負の信号電荷の場合、例えば、電圧立ち下がりエッジが得られる。この電圧遷移は、以下の説明において、「信号エッジ」と呼ばれる。

その後、再充電装置２０４は、検知ノード２１１から信号電荷を除去し、明確に定義されたＤＣ電圧を検知ノード２１１上に確立する。説明される再充電プロセス中に、信号エッジとは反対の電圧遷移が、検知ノード２１１上において得られる。この電圧遷移は、以下において、「再充電遷移」と呼ばれる。再充電装置２０４は、再充電時間すなわち再充電遷移の期間が、相当に長くなるように、例えば、信号エッジの期間すなわち電荷パルス幅よりも少なくとも２倍は長くなるように設計される。したがって、再充電装置の実施は、限定はされないが、定電圧への高いが有限のＤＣインピーダンス経路を含み、あるいは、能動バッファ２０２が反転電圧増幅器である場合、バッファ出力ノード２１２への高いが有限のＤＣインピーダンス経路を含む。後者においては、安定なＤＣ入力電圧が、能動バッファ２０２及び再充電装置２０４の帰還動作によって確立される。「安定な」という用語は、ここで使用される場合、「実質的に」安定なという用語も包含することに注意されたい。

比較的に長い再充電時間に対応して、検知ノード２１１上における電圧雑音電力スペクトルの雑音帯域幅は、きわめて狭く、かつ、検知ノード２１１上における電圧雑音電力スペクトル密度は、再充電装置２０４の高いＤＣインピーダンスのために、比較的に大きいことに言及することは意義のあることである。

検知ノード電圧を表現する電圧信号を提供するために、能動バッファ２０２が使用され、検知ノード２１１のインピーダンスを高い状態に維持しながら、すなわち、検知コンデンサ２０５の容量値を小さい状態に維持しながら、低いインピーダンスによって駆動される。能動バッファ２０２は、電圧利得を提供してもよくあるいは提供しなくてもよく、また、反転していてもよくあるいは反転していなくてもよい。信号エッジ及び再充電遷移の両方がバッファ出力ノード２１２上に再生されることに注意されたい。

雑音フィルタ２０６は、一般的に、使用されていない周波数レンジから雑音を除去しそれと同時に信号エッジを送信する連続時間フィルタである。「除去する」という用語は「実質的に除去する」という用語も包含することに注意すべきである。より詳細には、ほとんどの再充電装置雑音電力が存在する低い周波数が、フィルタで除去される。これは、再充電遷移をフィルタリングすることを含んでもよい。

雑音フィルタ２０６は、高域通過フィルタ又は帯域通過フィルタであってもよい。高域通過フィルタは大きな高周波雑音自体を一般的に生成することに注意されたい。それ自身の自己生成雑音の帯域幅を制限する帯域通過フィルタは、一般的に、自己生成雑音をそれほど引き起こすものではなく、そのために、好ましいものであるかもしれない。しかしながら、帯域通過フィルタを使用する場合、信号エッジの望ましくない減衰を回避するために、帯域上限周波数の選択及び制御に特別の注意を払わなければならない。

雑音フィルタ２０６は、受動フィルタ又は能動フィルタであってもよく、また、１よりも大きい電圧利得を信号エッジに適用してもよくあるいは適用しなくてもよい。

電荷出力を備えた検知装置は、厳密には限定されないが、例えば電荷結合素子（ＣＣＤ）において使用される、例えば、ホモ接合フォトダイオード、ヘテロ接合フォトダイオード、ｐｉｎ接合フォトダイオード（ｐｉｎｎｅｄ−ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ）、及び／又はフォトゲート型検出器のような、光電気センサーを含む。

ここで、図３を参照すると、図３は、ＭＯＳトランジスタを用いた本発明の実施形態を概略的に示し、ここでは、再充電装置２０４は、検知ノード３１１に接続された少なくとも１つの第１の端子とＤＣ電位に接続された少なくとも１つの第２の端子とを備えた再充電抵抗３０４として実施されている。

能動バッファ２０２は、ソース・フォロワ・トランジスタ３０２及び電流源トランジスタ３０３を備えた単位利得ソース・フォロワ・バッファとして実施されている。

雑音フィルタ２０６は、受動高域通過フィルタを形成する高域通過フィルタ・キャパシタンス３０６及び高域通過フィルタ抵抗３０７と、受動高域通過フィルタにカスケード接続された能動低域通過フィルタを形成する帯域制限ソース・フォロワ・トランジスタ３０８、電流源トランジスタ３０９、及び、帯域制限コンデンサ３１０とを備える。説明される構成は、通過帯域の周波数において単位利得を備えた能動バッファ帯域通過フィルタをもたらし、このフィルタの入力は、バッファ出力ノード３１２であり、また、このフィルタの出力は、パルス検出回路の出力ノード３１３である。

上述したように、再充電抵抗３０４の抵抗は、再充電抵抗雑音の帯域幅を比較的に低い周波数に制限するために、比較的に大きいものでなければならない。例えば２〜２０フェムト・ファラッドである検知コンデンサ３０５の容量値を備えた例えば最大でマイクロ秒の比較的に大きい幅のパルスを検出することのできる電荷パルス検出回路の場合、再充電抵抗３０４の抵抗値は、再充電抵抗３０４の雑音を十分に低い周波数に制限するために、例えば１０^９オームの範囲内に存在しなければならない。

また、これまでに、雑音フィルタ２０６は信号エッジを送信しなければならないことに言及したが、これは、高域通過フィルタ・コンデンサ３０６及び高域通過フィルタ抵抗３０７を備えてもよい高域通過フィルタの時定数が検出された電荷パルスの幅よりも大きいか又はそれに等しいことを要求する。典型的な半導体プロセス技術を用いて製造される２次元アレイとして使用されてもよい電荷パルス検出回路の場合、高域通過フィルタ・コンデンサ３０６の容量値は、実際には、必要以上の回路面積を回避するために、例えば、対応するインピーダンスに影響を与える２ピコ・ファラッド、１ピコ・ファラッド、又は、０．５ピコ・ファラッドよりも小さい値に制限される。そのような電荷パルス検出回路が、例えばマイクロ秒の範囲内に存在する幅を有する電荷パルスを検出するのに使用される場合、高域通過フィルタ抵抗３０７の要求される抵抗値は、例えば、１メガオームから、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０、又は、９０メガオームのような数十メガオームまでの範囲に存在する。

ＭＯＳプロセス技術を用いて要求される大きな抵抗を提供する再充電抵抗３０４及び高域通過フィルタ抵抗３０７の実施は、とりわけ、強反転非飽和領域（三極管領域）において動作するＭＯＳトランジスタ及び弱反転チャンネル（サブスレッショルド動作）及び低ドレイン−ソース電圧によって動作するＭＯＳトランジスタを含んでもよい。

説明される抵抗の実施例は、限定するものであると解釈されるべきではない。当業者は、本発明の範囲を逸脱することなく、異なる実施形態を考え出すことができるはずである。さらにまた、等価な機能を得るために、図３に示されるものとは異なる種類のトランジスタが使用されてもよいことに注意すべきである。

ここで、図４を参照すると、図３に示されるパルス検出回路の信号トランスインピーダンス関数４０１の振幅は、検知装置３０１によって検知ノード３１１に提供されるａｃ入力電流ｉ_ｉｎに対する出力ノード３１３上におけるａｃ電圧ｖ_ｏｕｔの比を与えるものである。

帯域通過フィルタの通過帯域に存在する周波数ｆ、すなわち、１／２πＲ_ｈｐＣ_ｈｐにほぼ等しい高域通過フィルタ遷移周波数４０３とｇｍ_２／２πＣ_ｌにほぼ等しい帯域制限器遷移周波数４０４との間に存在する周波数ｆに対して、信号トランスインピーダンス関数は、１／ｓＣ_ｓに実質的に対応しており、すなわち、信号電荷−電圧変換率は、検知コンデンサ３０５によって定義され、基本的には一定である。上述した式において、Ｒ_ｈｐは、高域通過フィルタ抵抗３０７の抵抗であり、Ｃ_ｈｐは、高域通過フィルタ・コンデンサ３０６の容量であり、ｇｍ_２は、帯域制限ソース・フォロワ・トランジスタ３０８の相互コンダクタンスであり、Ｃ_ｌは、帯域制限コンデンサ３１０の容量である。

ここで、図５を参照すると、フィタリングされない再充電抵抗雑音ＰＳＤ５０１は、検知ノード３１１上で観察される再充電抵抗３０４の雑音電力スペクトル密度に対応し、この雑音電力スペクトル密度は、基本的には、４ｋＴＲｒの値においてＤＣ ＰＳＤレベル５０４を備えた低域通過関数によって説明され、また、この雑音電力スペクトル密度の遷移周波数は、再充電遷移周波数４０２に対応する。再充電抵抗３０４の大きな抵抗値は大きなＤＣ ＰＳＤ及び狭い帯域幅を備えたフィルタリングされない再充電抵抗雑音ＰＳＤ５０１をもたらすことに注意されたい。検知ノード３１１上における電圧雑音に等価な統計的電荷ＲＭＳ変動ｑ_ｎ，ＳＮは、

となることがわかる。

フィルタリングされた再充電抵抗雑音ＰＳＤ５０２は、ソース・フォロワ・トランジスタ３０２と電流源トランジスタ３０３とからなる能動バッファ及び帯域制限ソース・フォロワ・トランジスタ３０８と電流源トランジスタ３０９とを備えた帯域制限バッファの両方に対する正確な単位利得の近似によって計算された再充電抵抗３０４によってもたらされる出力ノード３１３上で観察される雑音電力スペクトル密度に対応する。フィルタリングされた再充電抵抗雑音ＰＳＤ５０２は４ｋＴＲ_ｈｐ ^２Ｃ_ｈｐ ^２／Ｒ_ｒＣ_ｓ ^２に対応する一定の最大ＰＳＤレベル５０５を有しかつ極は高域通過フィルタ遷移周波数４０３において発生することに注意されたい。再充電抵抗３０４によるＲＭＳ出力雑音は、周波数レンジ全体にわたるフィルタリングされた再充電抵抗雑音ＰＳＤ５０２の積分の平方根に対応する。フィルタリングされた再充電抵抗雑音ＰＳＤ５０２の近似５０３は、ＲＭＳ出力雑音に対する過大評価されたものではあるが簡素な表現をもたらす近似である。近似５０３を用いれば、再充電抵抗３０４の雑音に等価な入力電荷ＲＭＳ変動の次の表現項が得られる。

この結果を式（４）と比較すれば、雑音フィルタは高域通過フィルタ遷移周波数４０３に対する再充電遷移周波数４０２の比の平方根に等しい率だけ再充電抵抗３０４からのＲＭＳ雑音を減衰させることがわかる。その結果として、雑音減少率は、次の項によって近似されてもよい。

本発明によれば式（５）から明らかなように再充電抵抗雑音に等価な入力電荷ＲＭＳ変動は検知コンデンサ３０５の容量に実質的に依存しないという事実にもかかわらず、小さい検知ノード容量は、依然として、例えば能動バッファ又は雑音フィルタリング回路自身の自己生成雑音のようなその他の雑音発生源に対応する等価入力電荷を減少させるためのきわめて有効な手段のままであることに注意されたい。

本発明の実施形態による正確な値を与えられた電荷パルス検出回路は、例えば、２よりも大きい値から１００までの範囲に存在する雑音減少率を提供する。雑音減少率の上述した値は、以下の段落において説明される実際的な限界によって定義される。再充電抵抗に起因する出力雑音に等価なＲＭＳ入力電荷変動の典型的な値は、例えば、正孔又は電子の数が２個から１００個までの範囲に存在する。

検出されるべきパルスの幅及び検知コンデンサ３０５の最小化された容量Ｃ_ｓによって実質的に定義される特定の高域通過周波数の場合、雑音減少効果の実際的な限界は、通常、再充電抵抗３０４の要求される大きな抵抗値によるものであることがわかる。

さらにまた、再充電遷移周波数を減少させること、すなわち、再充電遷移の期間を増加させることは、信頼性をもって検出することのできるパルスの最大平均繰り返し速度を減少させ、これは、また、可能な雑音減少効果に最大の実際的な限界を課すかもしれない。

既知の電荷パルス検出回路の最も支配的な雑音発生源の作用を減少させることに加えて、本発明による電荷パルス検出回路は、また、電荷パルス検出回路の構成要素に適切な値を与えることによって、電荷パルス検出回路の残りの雑音発生源が寄与することを制御するのを可能にする。

ソース・フォロワ・トランジスタ３０２及び電流源トランジスタ３０３の熱雑音は、帯域制限器遷移周波数４０４を一定に維持しながらそれらのトランジスタの相互コンダクタンス値を増加させることによって、減少させてもよい。

高域通過フィルタ抵抗３０７の熱雑音は、例えば、それの抵抗値を減少させることによって、それと同時に、それに反比例して、高域通過フィルタ遷移周波数４０３が一定のままであるように、高域通過フィルタ・コンデンサ３０６の容量を増加させることによって、減少させてもよい。

帯域制限ソース・フォロワ・トランジスタ３０８及び電流源トランジスタ３０９からの熱雑音は、帯域制限コンデンサ３１０の容量値を増加させることによって、また、それに比例して、帯域制限ソース・フォロワ・トランジスタ３０８の相互コンダクタンスを増加させかつ電流源トランジスタ３０９の相互コンダクタンスを帯域制限ソース・フォロワ・トランジスタ３０８の相互コンダクタンスよりも小さいもの（例えば、０．５倍だけ）に維持することによって、減少させてもよい。

図６は、本発明の別の実施形態を概略的に示し、ここでは、能動バッファ２０２は、電圧増幅度を提供し、そして、共通ソース増幅器トランジスタ６０２及び能動負荷トランジスタ６０３として実施される。能動バッファ２０２のこの実施形態は、反転増幅器であること、すなわち、この能動バッファのＡＣ出力電圧は、それのＡＣ入力電圧に対して反転した極性を有することに注意されたい。能動負荷トランジスタ６０３は、ダイオード構成として接続され、また、１よりも大きい開ループ利得を提供するために、このトランジスタのＷ／Ｌ比は、共通ソース増幅器トランジスタ６０２のＷ／Ｌ比よりも小さいものであるように選択される。電圧増幅度を提供する能動バッファ２０２の説明される実施形態は限定するものであると解釈されるべきではないことに注意されたい。考えられる実施形態のさらなる例は、限定はされないが、能動電流源負荷を備えた共通ソース増幅器、ダイオードか又は電流源能動負荷とカスケード接続された共通ソース増幅器、及び、ＣＭＯＳインバータを含む。図６に概略的に示されるものと異なる種類のトランジスタが、等価な機能を達成するのに使用されてもよいことに注意されたい。

説明される実施形態において、検知装置６０１から検知ノード６１１上に供給される信号電荷は、その検知ノード６１１と増幅器出力ノード６１２との間に接続された再充電抵抗を介して除去される。したがって、検知ノード６１１及び増幅器出力ノード６１２上のＤＣ電位は、基本的には、再充電抵抗６０５と電圧増幅度を提供する能動バッファとの帰還動作によって、同じ非飽和動作電圧に設定される。

この実施形態においては、雑音フィルタ２０６の実施は、基本的に、図３に示されるものと同じであってもよい。

検知コンデンサの特定の容量Ｃｓ及び再充電抵抗６０４の特定の抵抗Ｒ_ｒに対して説明される実施形態の場合、再充電遷移周波数は、Ａｖ／２πＲ_ｒＣ_ｓであることがわかり、ここで、Ａｖは、共通ソース増幅器トランジスタ６０２及び能動負荷トランジスタ６０３を備えた増幅器のＤＣ電圧増幅度である。帰還動作の作用として、再充電遷移周波数は、増幅器出力６１２ではなくＤＣ電位に接続された再充電抵抗に関しては、電圧増幅度の倍率だけ増加することに注意されたい。

検出されるべき電荷パルスの特定の幅及びその結果として得られる最大高域通過フィルタ周波数に対して、再充電抵抗６０４による雑音を望ましいレベルにまで減衰させるために、例えば図３の実施形態に示されるものよりも大きい再充電抵抗６０４の抵抗値が、必要とされるかもしれない。

１よりも大きい電圧増幅度を提供する能動バッファ２０２の実施形態を使用する電荷検出回路の実施形態の重要な利点は、１個の電子又は１個の正孔あたり例えば５０マイクロ・ボルトから５ミリ・ボルトの範囲に存在する検知ノード６１１上の入力電荷すべてにわたって、増幅器出力ノード６１２上の出力電圧の優れた変換率を得ることができることである。これは、雑音フィルタさらには下流側の読み出し回路６３０の自己生成雑音に等価な入力電荷雑音を減少させる。したがって、雑音フィルタ回路の自己生成雑音に対する要件は、それほど厳しいものでなくてもよく、それと同時に、検出回路の全体的雑音特性を譲歩しなくてもよい。より詳細には、半導体面積は、高域通過フィルタ・コンデンサ６０６及び帯域制限コンデンサ６１０のためにそれほど必要とされない。さらにまた、ここで説明される実施形態における帯域制限ソース・フォロワ・トランジスタ６０８の相互コンダクタンスしたがって電流消費量は、能動バッファ２０２が電圧増幅度を提供しない実施形態における帯域制限ソース・フォロワ・トランジスタ３０８と比較すれば、例えば、２から能動バッファ２０２の電圧利得までの範囲に存在する倍率だけ減少してもよい。

ここで、図７を参照すると、本発明の実施形態が概略的に示され、ここでは、雑音フィルタ２０６は、能動フィルタであり、また、雑音フィルタ２０６は、１よりも大きい電圧増幅度を信号エッジに提供し、すなわち、雑音フィルタ２０６は、それの周波数通過帯域において、電圧増幅度を提供する。開示される実施形態の再充電装置２０４及び能動バッファ２０２は、基本的には、図３に概略的に示される実施形態の対応する構成要素と同じものであってもよい。

この実施形態の雑音フィルタ７２０は、それの端子がバッファ出力ノード７１２及び中間ノード７１４に接続された高域通過フィルタ・コンデンサ７０６と、中間ノード７１４上の電圧を出力ノード７１３の電圧にまで増幅する反転電圧増幅器を形成する帯域通過フィルタ増幅器トランジスタ７０８及び能動負荷トランジスタ７０９と、出力ノード７１３に接続された帯域制限コンデンサ７１０と、中間ノード７１４と出力ノード７１３との間に接続された高域通過フィルタ抵抗７０７とを備えてもよい。

中間ノード７１４上における安定したＤＣ動作電圧が、反転電圧増幅器及び高域通過フィルタ抵抗７０７の帰還動作によって確立される。能動負荷トランジスタ７０９は、ダイオード構成として接続され、また、１よりも大きい開ループ利得を提供するために、このトランジスタのＷ／Ｌ比は、帯域通過フィルタ増幅器トランジスタ７０８のＷ／Ｌ比よりも小さいものであるように選択される。再度、この増幅器の実施形態は、限定するものであると解釈されるべきではないことに注意されたい。その他の種類の増幅器が、本発明の範囲を逸脱することなく使用されてもよい。さらにまた、図７に示されるものとは異なる種類のトランジスタが、等価な機能を達成するのに使用されてもよい。

雑音フィルタ７２０の伝達関数、すなわち、中間ノード７１４上における電圧に対する出力ノード７１３上における電圧の比Ｈ_ｎｆ（ｓ）は、帯域通過増幅器トランジスタ７０８の相互コンダクタンスｇｍ_２が十分大きく、高域通過フィルタ抵抗７０７の抵抗Ｒ_ｈｐが反転電圧増幅器のＤＣ出力インピーダンスＲｏよりも大きく、中間ノード７１４上の寄生キャパシタンスを無視すると仮定して、次の表現（式（６））によって近似することができる。

式（６）において、Ｒ_ｈｐは、高域通過フィルタ抵抗７０７の抵抗であり、Ｃ_ｈｐは、高域通過フィルタ・コンデンサ７０６の容量であり、Ｃ_ｌは、帯域制限コンデンサ７１０の容量である。さらにまた、上述した式は、積Ｒ_ｈｐＣ_ｈｐがＲ_ｏＣ_ｌよりも大きいという仮定に基づくものである。

したがって、雑音フィルタ７２０は、周波数１／２πＲ_ｈｐＣ_ｈｐにおける帯域下限と、周波数１／２πＲ_ｏＣ_ｌにおける帯域上限と、通過帯域における電圧増幅度ｇｍ_２Ｒ_ｏすなわち電圧増幅器開ループ利得とを備えた帯域通過フィルタであることがわかる。

したがって、検出されるべき電荷パルスの特定の幅及び再充電抵抗７０４からの熱雑音の特定の望ましい減衰に対して、図３及び図６に示されるような電圧増幅度を備えていない雑音フィルタの場合と同じ値の高域通過フィルタ抵抗７０７及び高域通過コンデンサ７０６が使用されてもよい。

ＭＯＳトランジスタが、強反転三極管領域において使用される場合、及び／又は、弱反転モードでさえ高域通過フィルタ抵抗７０７を実施するために使用される場合、過度の抵抗変動を回避するために、このＭＯＳトランジスタのゲートに適切なバイアスをかけることに注意を払わなければならない。高域通過フィルタ抵抗の要求される抵抗値は、一般的に、例えば再充電抵抗６０９の要求される抵抗値よりも小さいという事実のために、図７の実施形態を実施することは、実際には、図６の実施形態を実施することよりも複雑ではないかもしれず、そして、高域通過フィルタ抵抗７０７は、例えば再充電抵抗６０９よりも小さい相対的な抵抗変動を呈するかもしれない。

図７の実施形態は、雑音フィルタ７２０の電圧増幅度のおかげで、検知ノード７１１上における入力電荷を出力ノード７１３上における出力電圧に変換する変換率の大きな値を提供し、この変換率は、例えば、１個の電子又は１個の正孔あたり５０マイクロ・ボルトから５ミリ・ボルトの範囲に存在する。したがって、この実施形態は、下流側の読み出し回路７３０からの雑音に対して優れた耐性を提供する。しかしながら、能動バッファの単位利得のために、図６に示される実施形態とは対照的に、図３に概略的に示される実施形態の場合とまさに同様に、雑音フィルタ７２０自身からの雑音に注意を払わなければならない。

図８は、本発明の実施形態のさらに別の実施形態を概略的に示し、ここでは、信号電荷は、それぞれの電荷パルスが検出器８０１から到着した後に高いインピーダンス経路を介して信号電荷をゆっくりとかつ連続的に除去する代わりに、規則的又は不規則な時間間隔で低いインピーダンス経路を介して検知ノード８１１から除去される。

雑音フィルタ、並びに、共通ソース増幅器トランジスタ８０２及び能動負荷トランジスタ８０３によって形成される能動バッファは、基本的には、図６の実施形態におけるそれぞれの対応するものと同じものであってもよい。しかしながら、この実施形態において使用される再充電装置は、ドレイン／ソース端子のどちらか一方が検知ノード８１１に接続されかつドレイン／ソース端子のどちらか一方が増幅器出力ノード８１２に接続されたリセット・スイッチ・トランジスタ８０４である。

リセット・スイッチ・トランジスタ８０４のゲート端子は、パルスを印加され、それによって、このリセット・スイッチ・トランジスタ８０４は、規則的又は不規則な時間間隔で、比較的に短い時間だけ、例えば、検出されたパルスの幅の範囲内に存在する期間だけ閉じられ、そして、例えば検出されたパルスの幅の１０〜１，０００倍に対応する期間を有してもよい区間内においては開いたままの状態である。

リセット・スイッチ・トランジスタ８０４が閉じられると、信号電荷は、このリセット・スイッチ・トランジスタ８０４によって提供される低インピーダンス経路を介して除去され、非飽和増幅器入力及び出力電圧が、反転増幅器及びリセット・スイッチ・トランジスタ８０４の負帰還動作によって、検知ノード８１１及び増幅器出力ノード８１２上において確立される。図８に示されるｎ−チャンネルＭＯＳトランジスタとは異なるその他の種類のトランジスタが、リセット・スイッチ・トランジスタ８０４を実施するのに使用されてもよい。

任意の信号電荷が検知ノード８１１上において得られるならば、リセット・スイッチ・トランジスタ８０４を閉じることによってトリガーされる電圧パルスが出力ノード８１３上に現れることに注意されたい。リセット動作に対応するこの出力電圧パルスは、前回のリセット動作と今回のリセット動作との間に検知ノード・コンデンサ８０５上に蓄積された信号電荷の量と、積（高域通過フィルタ抵抗８１４の抵抗）×（高域通過フィルタ・コンデンサ８０６の容量）に対応する消滅時間とに依存する振幅を有する。リセット動作に対応する出力電圧パルスは、検知装置８０１からの信号電荷パルスによって発生する出力電圧パルスの極性とは反対の極性を有することに注意されたい。例えば、信号電荷パルスが電子を備えていれば、出力ノード８１３上の信号電圧パルスは正の極性を有するが、出力ノード８１３上のリセット電圧パルスは負の極性を有する。リセット・パルスの到着時間が周知であるという事実に加えて、それらの出力ノード上における反対の極性のおかげで、リセット・パルスは信号パルスと容易に区別することができる。

また、リセット・スイッチ・トランジスタ８０４が閉じているとき、信号パルスを検出することのできない不感時間（ｄｅａｄ ｔｉｍｅ）が存在することに注意されたい。

リセット・スイッチ・トランジスタ８０４が開かれると、検知ノード８１１において観察されるこのリセット・スイッチ・トランジスタ８０４からの雑音は凍結される。すなわち、この雑音はＤＣ成分を主として備え、高い周波数スペクトル成分を実質的に備えない。そのような雑音は、理論的には、連続時間雑音フィルタ２０６の高域通過機能によって完全に除去される。「完全に」という用語は「実質的に完全に」という用語も包含することに注意すべきである。

再充電雑音の効率的な抑圧、及び、下流側の回路８３０からの雑音と能動バッファによって提供される電圧増幅度による雑音フィルタ雑音とに対する優れた耐性のおかげで、本発明のこの実施形態は、例えば１０個の電子又は正孔よりも小さい全体的出力雑音に等価な全体的ＲＭＳ入力電荷変動を提供する。

Claims (14)

1. ａ）検知装置（２０１）と、
   ｂ）検知ノード（２１１）と、
   ｃ）入力及び出力を有する能動バッファ（２０２）と、
   ｄ）少なくとも１つの第１の端子及び少なくとも１つの第２の端子を備えた再充電装置（２０４）と、
   ｅ）入力を備えた雑音フィルタ（２０６）と、
   を備えた電荷パルス検出回路であって、
   前記検知装置（２０１）が、前記検知ノード（２１１）に動作可能に結合され、電荷パルスを前記検知ノード（２１１）に供給し、
   前記能動バッファ（２０２）の前記入力が前記検知ノード（２１１）に接続され、
   前記再充電装置（２０４）の前記少なくとも１つの端子が前記検知ノード（２１１）に接続され、前記検知ノード（２１１）上において安定したＤＣ電位を確立するのを可能にし、
   前記雑音フィルタ（２０６）入力が前記能動バッファ（２０２）出力に接続され、それによって、信号電圧パルスを送信するときに、前記再充電装置（２０４）からの雑音を少なくとも１／２に減少させる、
   ことを特徴とする電荷パルス検出回路。
2. 前記能動バッファ（２０２）が単位利得バッファであり、前記少なくとも１つの第２の端子が一定ＤＣ電位に接続された、請求項１に記載の電荷パルス検出回路。
3. 前記能動バッファ（２０２）が反転増幅器であり、前記再充電装置（２０４）の前記少なくとも１つの第２の端子が前記反転増幅器の出力に接続された、請求項１に記載の電荷パルス検出回路。
4. 前記再充電装置（２０４）が、前記再充電装置（２０４）の雑音電力を低周波数レンジに実質的に限定するとともに前記検知ノード（２１１）上において安定したＤＣ電位を確立する高いが有限のＤＣインピーダンス経路であり、雑音が、前記雑音フィルタ（２０６）によって減衰させられ、その結果として、前記再充電装置（２０４）の雑音が、少なくとも１／２に減衰する、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の電荷パルス検出回路。
5. 前記再充電装置（２０４）が、パルス検出のために開かれかつ前記検知ノード（２１１）をリセットするために規則的又は不規則な時間間隔で閉じられるスイッチである、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の電荷パルス検出回路。
6. 前記雑音フィルタ（２０６）が、前記再充電装置（２０４）によって生成される雑音の帯域幅よりも高いが入力電荷パルスに応じて生成される信号電圧パルスを送信できるほど十分に低い遷移周波数を備えた連続時間高域通過フィルタである請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の電荷パルス検出回路。
7. 前記雑音フィルタ（２０６）が、前記再充電装置によって生成される雑音の帯域幅よりも高いが信号電圧パルスを送信できるほど十分に低い下限帯域を備え、かつ、入力電荷パルスに応じて生成される信号電圧パルスを送信できるほど十分に高い上限帯域を備えた連続時間帯域通過フィルタである、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の電荷パルス検出回路。
8. 前記雑音フィルタ（２０６）が、送信される信号電圧パルスに電圧増幅度を適用する、請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の電荷パルス検出回路。
9. 検出された電圧パルスを２進ディジタル信号に変換する少なくとも１つの比較器と、前記比較器のディジタル・パルスを計数する少なくとも１つのディジタル・カウンタとをさらに備えた、請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の電荷パルス検出回路。
10. 半導体プロセス技術を用いてモノリシックに製造された、請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の電荷パルス検出回路。
11. 前記再充電装置（２０４）、前記能動バッファ（２０２）の構成要素、及び、前記雑音フィルタ（２０６）の構成要素の中の少なくとも１つが、ＭＯＳトランジスタによって実施される、請求項９に記載の電荷パルス検出回路。
12. 前記検知装置（２０１）が、ホモ接合ダイオード、ヘテロ接合ダイオード、ｐｉｎ接合フォトダイオード、フォトゲート、及び、電荷結合素子の中のいずれか１つによって実施された光電気検出器である、請求項１から請求項１１のいずれか一項に記載の電荷パルス検出回路。
13. 検知される物理的特性が、検出されるべき電磁波の量子を表現するフォトンを備え、それぞれのフォトンが、少なくとも１つの電荷キャリアを備えたパルスを生成している、請求項１から請求項１２のいずれか一項に記載の電荷パルス検出回路。
14. 請求項１から請求項１３のいずれか一項に記載の電荷パルス検出回路からなる少なくとも１次元のアレイ。

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