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北京大学学报(自然科学版) 第60卷 第6期 2024年11月
Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis, Vol. 60, No. 6 (Nov. 2024)
doi: 10.13209/j.0479-8023.2024.090
国家自然科学基金(42127803, 42225404)资助
收稿日期: 2024–01–16;
修回日期: 2024–03–24
摘要 专用集成前置放大器 RENA3 因噪声低而广泛用做粒子辐射探测器的前置放大器, 但 RENA3 的最大输入电荷量限制了其量程。针对这一问题, 提出一种通过在 RENA3 的输入端并联电容的方法来扩展量程, 并对该扩量程技术方案进行理论分析、PSpice 仿真分析和实验验证。实验结果与理论分析和数值模拟结果相吻合, 由此验证了所提出方法的可行性。该方法可适用于其他专用集成前置放大器的量程扩展。
关键词 专用集成前置放大器; 量程扩展; RENA3
行星际超低噪声三维能量粒子谱仪用于探测行星际空间中的能量电子、质子和氦离子, 包含一套 4 层×5 像素的硅半导体探测器阵列。由于输出信号通路高达 20 路, 若使用分立元器件, 将会占用大量资源, 增加系统的重量、体积和功耗。为了降低系统资源消耗, 需要采用专用集成前置放大器, 对探测器各个输出通道的微弱信号进行放大处理。专用集成前置放大器需满足低噪声、高精度和高量程的要求。经过综合考虑, 选定专用集成前置放大器为 RENA3 (Readout Electronics for Nuclear Applica-tions)。RENA3 是一款 36 通道电荷敏感放大器–整形器集成电路, 是专门为 X 射线和伽马射线检测开发的单片集成电路, 广泛应用于空间物理研究和医学成像等领域[1–2]。RENA3 的最大输入电荷量为 54fC[1], 相当于在 Si 探测器中能探测到的最大粒子沉积能量为 1.2MeV, 所以无法满足某些通道的量程要求, 需要进行量程扩展。
由于 RENA3 为单片集成电路, 其内部电路无法更改, 因此本研究提出一种量程扩展方案, 在RENA3 的输入端并联一个扩量程电容。在相同的电荷信号输入下, 该电容会分流输入 RENA3 的电荷, 达到量程扩展的目的。
包含探测器和前置放大器的粒子探测系统的电路原理如图 1 所示。本文采用的探测器为离子注入型, 等效为一个脉冲电流源和一个探测器等效电容Cd 的并联。Cd 与探测器材料、面积、厚度以及耗尽状态有关, 一般采用平行板模型进行计算[3]:
Cd = ε · ε0 · S/d,
其中, ε 为相对介电常数, 对于 Si 材料, 取 11.9; ε0 为真空介电常数, 取 8.86×10−12F/m; S 为探测器面积; d 为探测器厚度。Cd 一般为 pF 量级, 例如对于常用的面积为 1cm2, 厚度为 100, 300, 500 和 1000μm 的探测器, 其电容约分别为 105, 35, 21 和 11pF。偏压Vbias 通过电阻 Rd 施加到探测器上, 为探测器提供偏置, 使其处于耗尽状态, 耗尽电压与探测器材料和厚度有关。电阻率越小, 厚度越厚, 耗尽电压越大。耗尽电压一般为几十到几百 V。Rd 一般为 100 M 量级。Q 为粒子入射到探测器的沉积能量所产生的电荷信号。探测器通过耦合电容 Cx 与电荷灵敏前置放大器相连接, 一般容值为 0.1μF。Cf 和 Rf 为电荷灵敏前置放大器的反馈电容和反馈电阻, Cf 和Rf 的取值分别为 60fF 和 1.2GΩ, 为 RENA3 内置前置放大器的典型值。Ci 为前置放大器的等效输入电容, Ci≈(A+1)Cf[4]。A 为运算放大器的增益, 一般为几十至数百万倍, Ci 一般为 nF 量级。Q1 为不添加扩量程电容 Ck 时反馈电容搜集到的电荷量。Q2 为添加扩量程电容 Ck 时反馈电容搜集到的电荷量。u1为不添加扩量程电容 Ck 时前置放大器的输出电压, u2 为添加扩量程电容 Ck 时前置放大器的输出电压。
RENA3 的输入端(即前放构架)为 JFET 管+运算放大器。尽管前置放大器的输入端电容增加不会给系统增加新的噪声源, 但会改变噪声的耦合关系, 从而改变输出信号的噪声。已有研究表明, 探测器系统输入电容越大, 噪声也越大[5]。
在不添加扩量程电容 Ck 的情况下, 反馈电容Cf上积累的电荷量 Q1 为
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探测器等效电容 Cd 一般为 pF 量级, 耦合电容Cx 一般容值为 0.1μF, 前置放大器的输入等效电容Ci 一般为 nF 量级, 即满足
, 式(1)可以近似为 Q1≈ Q。因此前置放大器的输出电压 u1 为
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在添加扩量程电容 Ck 的情况下, 在反馈电容Cf上积累的电荷量 Q2 为
虚线框内的Ck为添加的扩量程电容
图1 包含探测器和前置放大器的粒子探测系统的电路原理图以及等效电路
Fig. 1 Circuit schematic diagram of particle detection system including detector and preamplifier
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考虑到
所以, 式(3)可以近似为
因此, 前置放大器的输出电压 u2 为
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通过对比式(2)和(4)可知, 当存在扩量程电容Ck 时, u2
噪声来源主要有 3 类: 散粒噪声(来自电流的随机波动, 与电流成正比)、热噪声(来自导体或电阻两端载流子的热运动, 与外加电流和电压无关)和低频噪声(如场效应管闪烁噪声)[6−8]。包含探测器和前置放大器的粒子探测系统的噪声模型如图 2 所示。
探测器的噪声主要包括漏电流散粒噪声 id 以及内阻热噪声 iRd。漏电流散粒噪声主要由探测器漏电流产生, did2=2qIddf。探测器内阻热噪声主要由内阻引起, diRd2=4kTdf/Rd。前置放大器的噪声主要包括场效应管栅极漏电流噪声 ig、沟道热噪声 ich 和闪烁噪声 vRd。栅极漏电流噪声由栅极漏电流引起, dig2=2qIgdf。沟道热噪声与温度和跨导有关, dich2= 4kTγgmdf。闪烁噪声又称 1/f 噪声, 与频率有关, dvRd2=Kfdf/(fCg)。此外, 还存在反馈电阻热噪声, 主要由反馈电阻引起, diRf2=4kTdf/Rf。。
加入的扩量程电容不会为系统引入新的噪声源, 但会改变噪声的耦合关系, 从而改变输出信号的噪声。
SPICE(simulation program with integrated circuit emphasis)是由加州大学伯克利分校的计算机辅助设计小组开发的一款电子仿真程序, 逐渐成为最普遍的电子仿真程序。PSpice 是以 SPICE 为内核的一款的电子仿真软件, 集成在 OrCAD 系统中。PSpice能够进行瞬态特性分析、直流特性扫描分析(DC 分析)、交流小信号频率分析(AC 分析)和噪声分析 等[9−11]。本文使用 OrCAD 16.6 版本进行仿真。
Pspice 仿真使用的电路原理图如图 3 所示。探测器等效为一个脉冲电流源与一个电容和一个电阻并联。在仿真中, 脉冲电流源的波形如图 4 所示, 参数设置如下: 脉冲上升时间 Tr=5μs, 脉冲保持时间 Pw=50μs, 脉冲下降时间 Tf=5μs。脉冲电流产生的电荷量等效于在 Si 探测器中沉积 5MeV 的能量所产生的电荷量。反馈电容 Cf=60fF, 反馈电阻 Rf= 1.2GΩ, 与 RENA3 前置放大器的参数一致。
PSpice 中内置参数扫描功能, 可以在一次仿真过程中计算某一参数取不同值时电路的响应情况。利用PSpice 参数扫描功能, 可以在设计电路时快速搜寻某一元件的合适参数, 也可以探究某一参数改变对电路设计的影响。利用这一功能, 可以搜索合适的扩量程电容值。本文中的参数扫描首先采用瞬态特性分析功能, 然后使用 Probe 窗口处理数据, 导出至 MATLAB 中绘图。通过改变 Ck 的数值, 可以得到归一化的输出电压峰值与扩量程电容 Ck 之间的关系, 如图 5 所示。
图2 包含探测器和前置放大器的粒子探测系统的噪声模型
Fig. 2 Noise model of particle detection system including detector and preamplifier
图3 Pspice仿真电路图
Fig. 3 Circuit of Pspice simulation
图4 输入的电荷信号波形
Fig. 4 Input charge signal waveform
由图 5 可知, 随着扩量程电容 Ck 的增加, 输出电压幅度降低。当扩量程电容 Ck=2.3nF 时, 输出电压幅度降低为不加扩量程电容时的一半, 即量程扩展为原来的两倍。
图 6 展示本文实验使用的电路原理。左侧方框内, 使用一个方波信号源、一个电容以及一个电阻组合, 模拟粒子打入探测器内产生的电荷脉冲信号。右侧方框代表实验采用的专用集成电路 RENA3芯片, 设置为跟随模式输出, 采用示波器测量输出波形。
归一化输出电压定义为输出电压与未加扩量程输出电压之比, 下同
图5 归一化输出电压峰值与扩量程电容 Ck的关系
Fig. 5 Normalized maximum output voltage with different range-expansion capacitance Ck
在实验中, 并入不同的扩量程电容 Ck, 并与未并联扩量程电容的原始电路输出进行对比。实验结果如图 7 所示。
根据图 7 可知, 随着并联扩量程电容的增大, 输出电压减小, 与理论分析和 PSpice 仿真结果吻合。当并联的扩量程电容 Ck =56pF 时, 输出信号约降为一半, 与仿真结果的 2.3nF 产生差异的原因可能是 RENA3 芯片内置的运算放大器性能与仿真所用放大器性能存在差异。因此, 我们估算 RENA3芯片的前置放大器开环增益为 A～104。
图 8 给出不添加扩量程电容(图 8(a))及添加 56pF 扩量程电容(图 8(b))的输出信号波形图以及输出信号波形与输入方波的相位关系(约有 5μs 的延迟)。可以看出, 添加扩量程电容后, 输出信号的幅度将降为一半, 但信号的上升时间和半峰宽基本上不变, 说明添加扩量程电容不会影响系统的性能。
图6 实验电路示意图
Fig. 6 Circuit of experiment
图7 实验中归一化输出电压峰值与扩量程电容的关系
Fig. 7 Normalized output voltage with different range-expansion capacitance in experiment
本实验中还对系统噪声进行测试。图 9 展示ASIC 的半高全宽(FWHM)能量分辨率与前端电容之间的关系。本文使用 RENA3 芯片的读出模式采集峰值作为输出信号, 并使用 AD9240, 将输出信号转换为数字信号收集。图 9 中使用 RENA3 芯片的 test 信号功能, 并在前端并入电容来模拟探测器电容和扩量程电容的总电容。可以发现, 噪声随着前端电容的增大呈现线性增加。对于并入的 56pF扩量程电容, 当仅考虑 ASIC 时, FWHM 约为 8keV, 能够满足探测需求。可见, 在前端并入扩量程电容会增大 ASIC 系统噪声, 同时输出信号下降, 故系统的信噪比会下降。
本文提出一种通过在用集成前置放大器 RENA3的输入端并联电容的方法, 实现量程扩展。首先从理论上证明在粒子辐射探测器 RENA3输入端并联电容可以扩展量程, 然后进行 PSpice 仿真计算, 并通过实验进行验证。实验结果与理论分析及 PSpice仿真计算相吻合, 验证了提出的扩量程方法的可行性。本文以粒子辐射探测器专用前置放大器为例开展相关研究, 该技术也可应用于其他专用前置放大器, 扩展量程范围。
黄色为输入信号, 蓝色为输出波形
图8 不添加扩量程电容及添加56 pF扩量程电容对于相同输入信号的输出波形
Fig. 8 Output waveform at the same input signal without the extended range capacitor and with the 56 pF extended range capacitor
图9 实验中ASIC能量分辨率与前端总电容的关系
Fig. 9 Energy resolution of ASIC and the total capacitance
本文方法也存在不足, 在扩展量程的同时降低了系统的信噪比。然而, 当需要扩展量程时, 通常情况下系统的信号非常大, 因此信噪比的下降对大信号的影响相对较小。未来的研究中可以考虑分路采集信号的方案, 对小信号保持较高的信噪比。
参考文献
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Research on Range Expansion Technology of Charge Sensitive Preamplifier for Particle Radiation Detector
Abstract The particle radiation detector readout ASIC RENA3 (Readout Electronics for Nuclear Applications) is widely used as preamplifier for its low-noise, but the maximum input charge of RENA3 limits its range. This paper proposes a method to realize the range expansion by paralleling the capacitor at the input of RENA3. Theoretical analysis, PSpice simulation analysis and experimental verification were carried out. The experimental results are consistent with the theoretical analysis and numerical simulation results, which verify the feasibility of the method. This method can also be used to expand the range of other ASIC.
Key words charge sensitive preamplifier; range expansion; RENA3