用于X射线探测的多通道电荷读出芯片

刘 宏，徐 乐，田 彤

(1.中国科学院 上海微系统与信息技术研究所，上海 201800；2.中国科学院大学 电子电气与通信工程学院，北京 100049)

X射线(X-Ray)成像在医学成像、工业探伤、交通安检、太空探测、生物材料科学等诸多领域都有着广泛的应用[1-3]。X射线探测系统主要由X射线源、探测器平板、前端读出电路和数据采集板等部分组成，其中电荷读出芯片是必不可少的器件。电荷读出芯片完成探测电荷到模拟电压的转换，其性能很大程度影响整个探测系统的性能。随着互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)工艺技术的发展以及应用系统集成度水平的提高，对于多通道高性能电荷读出电路的研究越来越广泛[4-10]。目前电荷读出芯片正向着多通道、全集成、高线性度、宽动态范围和低功耗的方向发展。

图1 传统的电荷读出电路结构

传统的电荷读取电路结构如图1所示，主要包括电荷灵敏放大器和采样保持电路。在多通道电荷读取电路实现中，每通道都需要单独的电荷灵敏放大器和采样保持电路，使得整体芯片的功耗无法降低[6，10]。文中创新地提出一种电荷读取电路结构，将采样保持电路集成到输出缓冲器，减少采样保持电路中运放的数量，极大地降低芯片的功耗和面积。笔者设计的多通道电荷读出芯片具有低噪声、可连续输出、失调校准及多片级联等特性。芯片集成了电荷采集放大电路、失调校准电路和输出驱动电路和数字逻辑控制电路等，具有高集成度、小尺寸、低功耗和低噪声等优势。

1 电荷读出电路设计及分析

图2 32通道电荷读出电路结构框图

笔者提出的多通道微弱电荷读出芯片的结构框图如图2所示。芯片主要包括32通道的积分器、相关双采样电路、奇偶通道输出驱动电路和数字控制逻辑电路等模块。为了实现32通道采样保持电路和输出缓冲器的复用，设计的电荷-电压转换器采用奇偶通道交叉相连，奇偶通道输出缓冲电路交替工作以实现连续输出。同时，积分器和输出缓冲电路采用相关双采样技术消除系统的失调和低频噪声。

1.1 多通道电荷读出电路分析

笔者提出的电荷读出电路原理图和具体工作时序如图3所示。

读出电路主要包括电容积分器、开关控制电路和单端转差分的输出缓冲器等。由于需要适应安检X射线电荷能量高的特点[11-12]，同时要保证低能量粒子检测的灵敏度，笔者设计的积分器中的积分电容采用可调电容阵列，通过逻辑控制可以实现2～14 pC电荷测量范围。

由于电荷读出电路中采样保持电路工作需要两个时钟周期完成，在转换时钟clock一定的情况下，该电路通过奇偶通道交替输出的方式实现电流转换信号连续输出。如图3(a)所示，读出电路将奇通道积分器和偶通道积分器分别相连，奇偶通道分别连接一个输出Buffer；在奇通道处于采样保持阶段时，偶通道处于转换输出阶段，反之亦然；从而读出电路在不增加转换时钟的情况下，实现信号连续输出。输出Buffer不仅实现单端信号转差分信号及输出驱动的功能，还集成了相关双采样结构以消除输出Buffer的失调和低频噪声。

积分器具体工作原理：以通道1为例，如图3(b)所示，首先开关Sz1闭合时，开关Sint1、Sa1、SI和Sc断开，积分器进行复位；当开关Sz1断开后，开关Sint1闭合时，积分器前端流入的电荷在积分电容Cf上进行积累，电路进入到积分状态；当开关Sa1和SI闭合时，积分器运放的输出电压Vout1被采样并保存到电容C1上；当开关SI、Sint1断开，开关Sz1、SC闭合时，电容C1和电容C2上进行电荷转移，输出缓冲器电路进行电压转换。设计时使得电容C1和C2取值相等，最终OUT+端的输出电压为VREF+ΔV，OUT-端的输出电压为VREF-ΔV。ΔV为积分电荷在积分电容Cf上产生的电压差值ΔV=|Iint|×Tint/Cf，其中Tint是积分时间，Iint为流入积分器输入端的电流。

通道2工作时序与通道1类似，Sa2、SINT2、Sz2时序相对通道1延迟一个时钟周期T。通道2的输出Buffer中SI和SC与通道1正好相反，通道1采样时通道2转换输出。

(a) 电路结构原理图

(b) 电路时序图

1.2 积分器电路设计及噪声分析

根据噪声级联原理，第1级的积分器噪声很大程度决定读取电路的噪声和线性度性能。因而本节重点对积分器的噪声进行分析，进而在电路设计上对其进行优化。积分器噪声主要包括积分放大器噪声、光电二极管的漏电流噪声和积分电容的KT/C噪声。

积分器放大器模块电路如图4(a)所示。

(a) 积分器放大器原理图

(b) 复位阶段积分器失调等效电路

(1)

(2)

(3)

其中，gm1，2为输入晶体管的跨导，gm3，4和gm9，10为电流镜的跨导，k是波尔兹曼常数，KN和KP是依赖工艺和器件特性的闪烁噪声因子，W和L为晶体管的宽长，Cox为单位栅氧电容。在低频应用中，闪烁噪声在噪声中占主导。从式(3)可以看出，为了减小积分器放大器的闪烁噪声，输入晶体管的面积和跨导都需要足够大。实际设计时输入管的W和L分别取400 μm和5 μm，同时对gm也进行优化。

(4)

积分电容的KT/C噪声可表示为

(5)

从式(4)和式(5)可以看出，增大积分电容Cf可以降低积分器的输入漏电流噪声和KT/C噪声。

1.3 积分器失调和低频噪声消除

文中采用相关双采样技术消除积分器运放及输出缓冲器的失调和低频噪声。积分器在复位和积分阶段的失调等效电路如图4(b)和图4(c)所示，Vos为积分器输入端的失调电压。失调消除的工作过程如下：当开关Sz闭合，Sint断开时，积分器进入复位状态，此时积分电容Cf上的电荷量Qz为

Qz=CfVos。

(6)

当开关Sz断开后，Sint闭合时，积分器进入积分状态。由于积分电容Cf上电荷守恒，可以得到

IintTint=(VREF+Vos-Vout)Cf-Qz=(VREF-Vout)Cf。

(7)

由式(7)可以得到，在开关Sa闭合时，失调电压Vos在积分器输出端被消除。输出缓冲器AMP 2的失调消除采用同样的方法。由于积分器复位和积分状态间隔的时间T非常短，使得低频噪声成分来不及产生很大变化，从而起到抑制低频噪声的作用。

2 测试结果及分析

笔者设计的32通道电荷读出芯片采用0.25 μm CMOS工艺实现，芯片照片如图5(a)所示。设计中采用深N阱(Deep N-Well，DNW)器件对噪声敏感电路进行隔离，减少衬底对敏感电路的干扰。芯片面积为2.87 mm×2.68 mm，采用QFN64封装。芯片的测试系统如图5(b)所示，主要包括探测板和数据处理传输板。探测板用来将传感器产生的微弱电流信号经设计的电荷读出芯片转换为差分电压信号；数据处理传输板将芯片输出差分信号经过16 bit模数转换器(Analog-to-Digital Converter，ADC)数字量化，再通过现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)按照一定的数据格式传输到上位机。在1 MHz转换时钟、5.0 V电源及2.5 V参考电压工作条件下，读出芯片每通道功耗为1.5 mW。

(a) 芯片照片

(b) 测试平台框图

测试时，读出芯片的输入电流由高精度电压源经过一个200 MΩ的电阻产生，默认情况下输入100 mV产生0.5 nA电流，转换时钟为1 MHz，积分时间为1 ms。图6(a)显示在不同积分电容下读出芯片的输出值，结果显示在不同量程下芯片的输出值和理论计算值相吻合。

(a) 量程实验结果图

(b) 动态范围实验结果图

动态范围指标表示电荷读出电路的满量程输出值与底噪峰峰值的比值，用来表征电荷读出电路可以测量的最大值和最小值的范围。由于测试时电荷读出电路的输出值直接连接到16 bit的ADC，因而输出值采用数字方式显示；动态范围的测试方法如下：读出电路的最大输出值一般是固定的，电路中设置为差分3 V；电路底噪为输出电流为0时ADC的输出值；采用输出最大值除以底噪可以计算得到动态范围。读出芯片的动态范围性能如图6(b)所示，结果显示芯片动态范围随着积分电容的增加而增大，在积分电容为7.8 pF时动态范围达到13 100，在积分电容为1.3 pF时动态范围也可达到3 600。由于积分电荷与积分时间成正比，因而线性度测试通过线性地改变积分时间来改变积分电荷值，积分时间调节步进为0.5 ms。在积分电容为7.8 pF条件下，线性度性能测试结果如图7所示，测试结果显示读出芯片输出电压值呈线性输出，与拟合曲线的偏差在-16～+15 最低有效位(Least Significant Bit，LSB)以内，积分线性度小于0.1%。读出芯片电压输出芯片在示波器上的图像如图8(a)所示。设计的电荷读出芯片通过菊花链式的级联功能可实现512通道电流信号的读取，目前已用于安检X-Ray检测系统中，安检机测试件成像图如图8(b)所示，图像显示该电荷读出芯片满足安检机成像要求。电荷读取芯片的性能对比如表1所示。从表中可以看出，设计的电荷读取芯片在面积、功耗等指标方面都具有优势。

(a) 芯片步进输出曲线

(b) 输出误差结果图

(a) 芯片输出波形

表1 笔者设计的电荷读出电路与相关文献的性能比较

3 结束语

笔者设计一种用于X射线探测的32通道电荷读出电路，提出的结构通过将采样保持电路和相关双采样集成到输出缓冲器，大大降低整体芯片的功耗和面积。该电路采用相关双采样技术，减小了系统的失调和低频噪声；同时采用奇偶通道交叠输出方式，实现多通道信号快速连续输出。测试结果显示，在5.0 V供电和2.5 V参考电压下，每通道的功耗为1.5 mW；在积分电容为7.8 pF时，积分非线性小于0.1%，动态范围达到13 100。芯片性能达到安检成像的性能要求。与相关文献对比表明，笔者设计的电荷读取芯片在面积、功耗等指标上具有优势。