TWI740700B - 氮化鎵轉阻放大器 - Google Patents
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Abstract
本發明係一種氮化鎵轉阻放大器，作為質子束治療的基本電子電路。由於氮化鎵可以耐受質子束治療時所產生的輻射，故可作為質子束設備之電子線路，其具有高可靠度，更可增加整體系統的可靠度。
Description
本發明提出一種氮化鎵放大器，特別是指一種可使用於質子束設備的氮化鎵轉阻放大器。
傳統上，質子束治療(Proton beam therapy)設備係為質子加速器的一種，其主要在醫學上應用領域為癌症腫瘤的放射性治療，於實際的癌症腫瘤治療時，會以質子束對位瞄準患者之腫瘤位置，透過攜帶能量之質子在特定深度，以釋放大部分能量的布拉格尖峰現象，將大量能量釋放於腫瘤中(癌症病灶區)，藉以達到破壞腫瘤中之癌細胞，且不會破壞腫瘤外之其他正常細胞。
由前述可知，質子束治療比傳統放射治療(conventional radiotherapy)具有顯著優勢，因其與傳統的治療方法相比，質子治療的留存劑量幾乎可以忽略不計，主要由於因為大多數的光束能量都沉積在特定區域。然而，治療過程中所產生的二次中子(secondary neutrons)，會影響治療室(treatment room)中電子元件的可靠性(reliability)和性能(performance)。
而於傳統質子束設備所使用，一種以矽(Silicon)材料為基礎材料所使用之電子電路，當該電子電路輸入電子信號而經轉換為電壓，即於其電流轉換為電壓的電路時，其形狀會發生變化，因此，通常需要另外使用整型電路，以進行修正其所失真之形狀，回復其為正常形狀。
故如前述之一種以矽材料為基礎材料所使用之電子電路，眾所周知，由於矽材料在輻射環境下，無法耐受輻射(radiation)，造成以矽材料所製成的電子電路，其耐用度較低，使得可靠度(reliability)亦較低，而質子束設備則需要使用耐用度較佳，具有高可靠度的電子電路，即傳統的質子束設備於運轉使用時，需要裝載高可靠度的電子電路，得以讓質子束設備能夠在一定的條件和於所使用的時間內，不會發生任何壞損且能夠持續使用。
由前述可知，既有以矽材料為基礎所形成的電子電路，當使用於質子束設備時，在耐用度與可靠度的要求上，仍有相當大需要改良與改進的空間，故有待進一步檢討，並謀求可行的解決方案，換言之，質子束設備則需要使用耐用度較佳，具有高可靠度的電子電路，此已成為本領域持續關注的一項重要課題。
本發明係一種可使用於質子束設備的氮化鎵轉阻放大器，其中本發明之輻射偵測模組係以Hamamatsu H8500光電倍
增管即時檢測伽馬射線，而Hamamatsu H8500光電倍增管的輸出電流通過檢測器後，可轉換為電壓。
本發明之一目的，其中電路的頻寬範圍為0到200兆赫(MHz)。
本發明之一目的，其中在前述0到200兆赫(MHz)的電路頻寬範圍中，電路所產生的雜訊為64.6微伏特。
本發明之一目的，其中，該轉阻放大器(transimpedance amplifier)模組包含一第一電晶體，一第二電晶體，一第三電晶體，一第一電阻，以及一第二電阻，該第一電阻電連接該第二電阻以及該第一電晶之汲極，該第三電晶體之閘極電連接該第一電晶體之源極以及該第二電晶體之汲極，該第二電阻連接該第一第晶體之閘極以及該第三電晶體之汲極，一輸入電流經該第一電晶體之源極。
本發明之一目的，其中，該轉阻放大器模組更包含一增益峰值調整模組，係電連接該第三電晶體之汲極以及源極，該增益峰值調整模組為一電容器，用於將伽瑪射線偵測系統之增益波動保持在±1dB範圍。
本發明之一目的，其中，該第一電晶體、該第二電晶體以及該第三電晶體係為氮化鎵高電子移動率晶體電晶體。
本發明應用於電路領域方面，係以電流轉成電壓的方式作為實際上的運用。
相較於矽元件，本發明具有低雜訊的優勢，且具有更高的增益效果。
本發明可廣泛地使用於包括於如汽車，火車，飛機，鑽油平台等的嚴苛環境下，甚至包括使用於輻射的高嚴苛環境下。
相較於矽元件，本發明的電路設計更為簡單，卻可以得到相同的頻寬，功率耗損卻更低。
傳統市面上係以運算放大器為主的設計製造，惟本發明係以非運算放大器為基礎的設計製造，故而可以廣泛地提高製造良率，且製造成本更較低。
本發明係一種氮化鎵轉阻放大器(gallium nitride transimpedance amplifier)，因氮化鎵可以耐受於質子束治療時所產生的輻射，而相較矽元件，具有更為抗輻射(radiation hardened)的效果，故可作為質子束設備之電子線路，具有高可靠度，更可增加整體系統的可靠度。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
100:伽瑪射線偵測系統
102:輻射偵測模組
104:電荷分割模組
106:轉阻放大器模組
1062:增益峰值調整電路
d1、d2、d3:汲極
g1、g2、g3:閘極
s1、s2、s3:源極
I1:第一電流
I2:第二電流
I3:第三電流
I4:第四電流
In:輸入埠
n:節點
P:光脈衝
R:伽馬射線
U1:第一電晶體
U2:第二電晶體
U3:第三電晶體
R1:第一電阻
R2:第二電阻
Si:輸入信號
V1:第一電壓
V2:第二電壓
V3:第三電壓
V4:第四電壓
Vout:輸出埠
VB:線編號
有關本發明之前述及其它許多優點，於以下配合參考圖示之一個較佳實施例的詳細說明中，將可更清楚呈現，其中如下：
第1圖繪示本發明實施例之伽瑪射線偵測系統的系統方塊圖。
第2圖繪示本發明實施例之轉阻放大器模組的電路圖。
第3A圖繪示本發明實施例之轉阻放大器模組的交流增益結果。
第3B圖繪示本發明實施例之轉阻放大器模組的交流增益變化結果。
第3C圖繪示本發明實施例之轉阻放大器模組的輸出雜訊圖。
第3D圖繪示本發明實施例之轉阻放大器模組的電容雜訊變化圖。
以下請參照所附圖式說明與敘述，以對本發明之實施形態據以示意圖進行描述。於示意圖式中，相同之元件符號表示相同之元件，且為求清楚說明，元件之大小或厚度可能誇大顯示。
如第1圖繪示本發明實施例之伽瑪射線偵測系統(gamma detection system)的系統方塊圖100。以下請參照第1圖，電荷分割模組104電連接輻射偵測模組102，電荷分割模組104接收光脈衝P，並轉換成輸出第一電流I1、第二電流I2、第三電流I3以及第四電流I4，藉以電連接轉阻放大器模組106，如圖示共有4個相同的轉阻放大器模組106，分別以第一電流I1、第二電流I2、第三電流I3以及第四電流I4連接電荷分割模組104。
再參考如第1圖所繪示本發明實施例之伽瑪射線偵測系統的系統方塊圖100。其中轉阻放大器模組106電連接電荷分
割模組104，轉阻放大器模組106接收第一電流I1，第二電流I2，第三電流I3以及第四電流I4，並輸出第一電壓V1，第二電壓V2，第三電壓V3以及第四電壓V4。
仍如第1圖所繪示本發明實施例之伽瑪射線偵測系統的系統方塊圖100，藉由本發明之阻放大器模組106，其輸出信號不會失真，即輸出信號之形狀變化不大，因此本發明之轉阻放大器模組106，無需使用整型電路，即可進一步使用該輸出信號。
繼續如第1圖所繪示本發明實施例之伽瑪射線偵測系統的系統方塊圖100。需說明的是，本實施例中輻射偵測模組102為崩潰光二極體(avalanche photodiode)或光電倍增管。當輻射偵測模組102為光電倍增管時，輻射偵測模組則為一個名為Hamamatsu H8500之光電倍增管。
再請參考第1圖所繪示本發明實施例之伽瑪射線偵測系統的系統方塊圖100，伽瑪射線偵測系統100係輸入一輸入信號Si，其中該伽瑪射線偵測系統100之電路的頻寬範圍為0到200兆赫(MHz)，而其中在前述0到200兆赫(MHz)的電路頻寬範圍中，電路所產生的雜訊為64.6微伏特。
第2圖繪示本發明實施例之氮化鎵轉阻放大器(gallium nitride transimpedance amplifier)模組106電路圖。以下請參照第2圖，本發明之(氮化鎵)轉阻放大器模組106包含第一電晶體U1(包括汲極d1，閘極g1，以及源極s1)，第二電晶體U2(包括汲極d2，閘極g2，以及源極s2)，第三電晶體U3(包括汲極d3，
閘極g3，以及源極s3)，第一電阻R1，以及第二電阻R2。而其中該第一電晶體U1，該第二電晶體U2，以及該第三電晶體U3包含氮化鎵高電子移動率晶體電晶體(high electron mobility transistor,HEMT)，故又可稱為氮化鎵放大器電路。
仍請參照第2圖繪示本發明實施例之轉阻放大器模組106電路圖，第一電阻R1電連接第二電阻R2，以及第一電晶U1之汲極d1。第三電晶體U3之閘極g3電連接第一電晶體U1之源極s1，以及第二電晶體U2之汲極d2，第二電阻R2連接第一晶體U1之閘極g1以及第三電晶體U3之汲極d3。
再請參照第2圖繪示本發明實施例之轉阻放大器模組106電路圖，輸入電流Iin經該第一電晶體U1之源極s1。第一電晶體U1，第二電晶體U2，以及第一電阻R1形成一共用閘極放大器。輸入電流Iin經由輸入埠In輸入，以通過第一電晶體U1，其中輸入電流Iin即第一電流I1，第二電流I2，第三電流I3以及第四電流I4。
猶請參照第2圖繪示本發明實施例之轉阻放大器模組106電路圖，第二電晶體U2在飽和模式下偏壓，作為恆定電流源，用於在飽合模式下偏壓第一電晶體U1。
仍如第2圖之本發明實施例之轉阻放大器模組106電路圖。第三電晶體U3及第二電阻R2構成一共源電壓放大器，其可視為共閘極，其中，連接加入一個包含增益峰值調整(gain peaking adjustment)模組1062的環路，具有可增益的效果，且其中該增益峰值調整模組，係電連接該第三電晶體之汲極，以及
源極，而該增益峰值調整模組1062為一電容器，用於將伽瑪射線偵測系統100之增益波動保持在±1dB範圍。
請參考第2圖繪示本發明實施例之轉阻放大器模組106電路圖，需說明的是，在本實施例中，第一電晶體U1，第二電晶體U2，以及第三電晶體包含氮化鎵高電子移動率晶體電晶體(high electron mobility transistor,HEMT)。
而如第2圖之本發明實施例之轉阻放大器模組106電路圖。通過輸入埠In饋送的電流，可運用於連接第二電晶體U2的汲極d2，第一電晶體U1之源極s1和第三電晶體U3之閘極g3的節點n。由於施加電流，節點n上的電位發生變化，影響第一電晶體U1，第二電晶體U2，以及第三電晶體U3之偏壓，從而影響電路之最終輸出，最終從輸出埠Vout輸出放大電壓，即第一電壓V1，第二電壓V2，第三電壓V3，以及第四電壓V4。
參考第3A圖，其係繪示本發明實施例之轉阻放大器模組106的交流增益結果。藉由第3A圖結果所示，本發明電路之頻率200兆赫，增益為20dB。
請參考第3B圖，係繪示本發明實施例之轉阻放大器模組106的交流增益變化結果。請參考第3B圖，其結果顯示，即使輸入電容變化，轉阻放大器模組亦能提供恆定增益，即本發明對輸入電容變化不敏感。
參照第3C圖，係繪示本發明實施例之轉阻放大器模組106的輸出雜訊圖。而由第3C圖所示，在頻寬200MHz時，本發明之整體雜訊為64.6微伏特。
參考第3D圖，其繪示本發明實施例之轉阻放大器模組106的電容雜訊變化圖。而由第3D圖所示，本發明電路之輸出雜訊對輸入電容變化不敏感。
相較於矽元件，本發明具有低雜訊的優勢，且具有更高的增益效果。傳統市面上係以運算放大器為主的設計製造，而本發明係以非運算放大器為基礎的設計製造，可以廣泛地提高製造良率，且製造成本更較低。而本發明可應用於電路的領域，其係以電流轉成電壓的方式作為實際上的運用。更甚者，本發明可廣泛地使用於包括於如汽車，火車，飛機，鑽油平台等的嚴苛環境下，甚至可使用於嚴苛的輻射環境下。
相較於矽元件，本發明的電路設計更為簡單，卻可以得到相同的頻寬，功率耗損卻更為降低。換言之，相較於傳統的矽元件，本發明可以在較高溫度的嚴苛條件下工作，且可產生較高頻，高電壓，高電流甚至僅具有低雜訊等優勢。
故而，為了提高電子元件的可靠性，本發明使用氮化鎵作為轉阻放大器電子線路，因氮化鎵可以耐受於質子束治療時所產生的輻射，而相較矽元件，具有更為抗輻射(radiation hardened)的效果，可作為質子束設備之電子線路，具有高可靠度，故可增加整體系統的可靠度。
以上所述僅為本發明之較佳實施例而已，並非用以限定本發明之申請專利範圍；凡其它未脫離本發明所揭示之精神下所完成之等效改變或修飾，均應包含在下述之申請專利範圍內。
100:伽瑪射線偵測系統
102:輻射偵測模組
104:電荷分割模組
106:轉阻放大器模組
I1:第一電流
I2:第二電流
I3:第三電流
I4:第四電流
P:光脈衝
R:伽馬射線
Si:輸入信號
V1:第一電壓
V2:第二電壓
V3:第三電壓
V4:第四電壓
Claims (2)
- 一種氮化鎵放大器電路，其具有接收複數個電流的功能，以及輸出複數個電壓的功能，可使用於汽車，火車，飛機，鑽油平台，以及輻射環境下，包含：該氮化鎵放大器電路包含一第一電晶體，一第二電晶體，一第三電晶體，一第一電阻，以及一第二電阻，該第一電阻電連接該第二電阻，以及該第一電晶之汲極，該第三電晶體之閘極電連接該第一電晶體之源極，以及該第二電晶體之汲極，該第二電阻連接該第一第晶體之閘極，以及該第三電晶體之汲極，一輸入電流經該第一電晶體之源極，一增益峰值調整模組，係電連接該第三電晶體之汲極以及源極，該增益峰值調整模組包含一電容器，用於保持一伽瑪射線偵測系統之增益波動在±1dB範圍，該第一電晶體，該第二電晶體，以及該第三電晶體包含氮化鎵高電子移動率晶體電晶體，其中該氮化鎵放大器電路之電路的頻寬範圍為0到200兆赫，在該電路的頻寬範圍中，電路所產生的雜訊為64.6微伏特。
- 一種氮化鎵放大器電路，係電連接一電荷分割模組，可使用於汽車，火車，飛機，鑽油平台，以及輻射環境下，包含：接收一第一電流，一第二電流，一第三電流，以及一第四電流；以及 輸出一第一電壓，一第二電壓，一第三電壓，以及一第四電壓，其中該氮化鎵放大器電路係包含：一第一電晶體，一第二電晶體，一第三電晶體，一第一電阻，以及一第二電阻，該第一電阻電連接該第二電阻，以及該第一電晶之汲極，該第三電晶體之閘極電連接該第一電晶體之源極，以及該第二電晶體之汲極，該第二電阻連接該第一第晶體之閘極，以及該第三電晶體之汲極，一輸入電流經該第一電晶體之源極，一增益峰值調整模組，係電連接該第三電晶體之汲極以及源極，其中該增益峰值調整模組包含一電容器，用於保持一伽瑪射線偵測系統之增益波動在±1dB範圍，該第一電晶體，該第二電晶體，以及該第三電晶體包含氮化鎵高電子移動率晶體電晶體，其中該氮化鎵放大器電路之電路的頻寬範圍為0到200兆赫，該氮化鎵放大器電路，在該電路的頻寬範圍中，電路所產生的雜訊為64.6微伏特。
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