基于Hooge噪声模型的等效噪声电荷模型设计方法

摘要

本发明提供了一种基于Hooge噪声模型的等效噪声电荷模型设计方法。设计了一种新的等效噪声电荷模型，并给出了模型取极小值的工作条件，本发明的模型精度高，能够减小理论ENC模型与实测ENC性能的误差，可应用于探测器前端读出集成电路的低噪声设计，为超低噪声前端读出集成电路设计提供重要的理论指导。

说明书

技术领域

本发明属核电子学领域，具体涉及一种基于Hooge噪声模型的等效噪声电荷模型设计方法，适用于半导体辐射探测器模拟前端读出集成电路。

背景技术

在空间辐射探测谱仪、X射线衍射仪、电子个人剂量仪等探测器系统中，需要采用高性能辐射探测器和低噪声读出电子学实现能量范围为1～30keV的低能X射线的探测。采用专用集成电路(简称ASIC)来实现探测器前端读出电子学全部或部分功能已经成为常用的解决方案。目前，采用电荷灵敏放大器和有源成形放大器组合的模拟前端读出电路，能够获得最好的噪声水平。常用的模拟前端读出电路拓扑结构如图1所示，主要由基于折叠共源共栅放大器结构的电荷灵敏放大器(CSA)、极零相消电路(PZC)和有源成形器(CRRC)组成。衡量模拟前端读出ASIC噪声性能的参数为等效噪声电荷(简称ENC)，其定义为：

其中，

探测器模拟前端读出系统的噪声模型如图2所示。输入端噪声源主要由电流噪声和电压噪声组成，他们的噪声功率谱密度

通过噪声运算，可以求得等效噪声电荷ENC

其中，e表示电子基本电荷量，t

其中，ENC

上述噪声模型能够完成系统级噪声性能评估，但是存在噪声建模不够精确，使系统级ENC和实际ENC存在较大的误差的问题。

在图1所示的电荷灵敏放大器电路中，ENC

其中，N

其中，μ表示载流子迁移率，α

因此，针对图1所示的电荷灵敏放大器，由于采用PMOS晶体管作为输入，现有技术中采用McWorther闪烁噪声模型对其进行建模是不合适的，导致噪声模型不够精确，无法精确指导低噪声电路设计。为了满足一些应用中对入射光子和粒子的低探测阈值、高信噪比的需求，需要建立一种新的等效噪声模型，用于指导低噪声读出电路的设计。

发明内容

为了克服现有等效噪声电荷模型不精确，使得系统级噪声建模偏离实际情况，导致设计电路时等效噪声电荷基底无法进一步降低的不足，本发明提供一种基于Hooge噪声模型的等效噪声电荷模型设计方法。设计了一种新的等效噪声电荷模型，并给出了模型取极小值的工作条件，本发明的模型精度高，能够减小理论ENC模型与实测ENC性能的误差，可应用于探测器前端读出集成电路的低噪声设计，为超低噪声前端读出集成电路设计提供重要的理论指导。

一种基于Hooge噪声模型的等效噪声电荷模型设计方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：建立基于Hooge噪声模型的等效噪声电荷模型如下：

其中，ENC

根据MOS晶体管精简模型，工作在饱和区的其他PMOS晶体管其跨导g

其中，L

将公式(2)和公式(3)代入(1)中可以得到：

其中，k

其中,α

步骤2：令

步骤3：令

C

本发明的有益效果是：本发明的等效噪声电荷模型更加精确，可以更有效地指导前端读出电路的低噪声设计。

附图说明

图1是电荷积分式前端读出电路拓扑结构示意图；

图中，CSA为电荷灵敏放大器模块，PZC为极零相消电路，CRRC为有源成形器，IN为输入信号，R

图2是传统的噪声模型电路示意图；

图中，V

图3是不同等效噪声模型与SPICE模型ENC随探测器电容变化仿真结果对比图；

图4是不同等效噪声模型与SPICE模型ENC随成形时间变化仿真结果对比图；

图5是不同等效噪声模型与SPICE模型ENC随电容比C

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

针对如图1所示的电荷积分前端读出电路结构，本发明对电荷灵敏前置放大器中输入管闪烁噪声模型(如图2所示)进行改进，提出一种基于Hooge噪声模型的等效噪声电荷模型，将公式(11)替换公式(3)中的McWorther噪声模型，得到闪烁噪声对总ENC的贡献为：

因此，获得新的ENC

其中，ENC

从公式(24)中可以看到与电路有关的电学参数有：

(1)探测器参数：探测器电容C

(2)电荷灵敏前置放大器参数：输入MOS晶体管M

(3)成形器参数：成形器成形时间t

要获得ENC

其中，L

将公式(25)和公式(26)代入(24)中可以得到：

其中，k

其中，L

在探测器读出系统设计中，当探测器型号选定后，探测器电容C

ENC

首先，令

同理，令

C

根据公式(28)～(30)给出的ENC

表1

其中，Q

图3-图5给出了采用文献“Y,Duan,Y,et al.SENSROC12:A Four-Channel Binary-Output Front-End Readout ASIC for Si-PIN-Based Personal Dosimeters[J].NuclearScience,IEEE Transactions on,2019,66(8):1976-1983.”中的ENC噪声模型和采用本发明的等效噪声电荷模型的仿真结果与电路SPICE仿真结果对比。其中，点画线表示文献ENC噪声模型仿真结果与电路SPICE仿真结果对比，实线表示本发明的等效噪声模型仿真结果与SPICE模型仿真结果的对比，图3给出了ENC随探测器电容变化的仿真结果，图4给出了ENC随成形时间变化的仿真结果，图5给出了ENC随电容C