一种静态功耗自动配置的低功耗前端读出电路及设计方法与流程

1.本发明属于低功耗前端读出集成电路结构领域，具体涉及一种静态功耗自动配置的低功耗前端读出电路及设计方法。


背景技术：

2.前端读出专用集成电路(asic)是半导体辐射探测器系统种的核心电子元器件，用于对辐射探测器产生的微弱电流信号进行读出和处理，对于辐射探测系统的整体性能影响非常大。
3.传统的前端读出asic的结构如图1所示，其中，前置放大器(pre
‑
amplifier)和成形器(shaper)是读出通路的模拟前端，鉴别器(discriminator)用来实现模拟信号到数字信号的触发转换，数模转换器(dac)用来提供阈值电压v
ref
，数字处理电路对鉴别器的输出信号进行处理，从而实现全数字读出。
4.其工作原理具体是：首先，入射到辐射探测器中的粒子与探测器材料相互作用产生电子空穴对，在探测器偏置电压的作用下定向移动形成微弱的电流脉冲信号；然后，前置放大器和成形器依次对该电信号进行放大和整形滤波；最后，成形器的输出的信号与预设的阈值电压v
ref
进行比较，当成形器的输出信号高于阈值电压v
ref
时，鉴别器输出数字触发信号，数字处理电路对该数字触发信号处理得到入射粒子的能量以及时间信息。
5.如图1所示，在传统的前端读出asic中，读出通道的功耗可由以下公式给出
6.p
total
＝vdda
·
i
total
p
digital
ꢀꢀꢀ
(1)
7.i
total
＝i
pre_amp
i
shaper
i
discriminator
ꢀꢀꢀ
(2)
8.其中，i
total
为读出通路模拟前端的总静态电流，i
pre_amp
、i
shaper
和i
discriminator
分别为前置放大器、成形器和鉴别器电路模块的静态电流，vdda为模拟电源电压，p
digital
为数字处理电路的功耗。
9.在粒子径迹探测系统中，安置在入射源和读出电子系统之间的冷却装置会影响探测精度。在便携式的个人剂量仪设备中，采用电池供电的前端读出电子学要保证可持续工作100小时以上。此外，在超多读出通路以及大面积像素阵列的其他前端读出系统中更要保证读出asic的低功耗性能，而现有技术实现低功耗的方法一般是采用更高工艺尺寸或者针对专门的应用环境进行低功耗设计。从上述公式中可以看出，传统的前端读出asic的低功耗电路的实现具有以下缺点：模拟前端的静态功耗在设计完成后无法根据实际应用环境进行动态配置。这种情况不利于通用型前端读出芯片的设计，增加了超多通路和大面积像素阵列前端读出芯片的低功耗设计难度，并且，随着cmos工艺尺寸缩小，这种方式使低功耗前端读出asic设计困难增加。
10.由于传统的前端读出asic的低功耗电路具有上述缺点，因此需要一种新的低功耗技术来解决上述问题。


技术实现要素：

11.为了克服上述现有技术存在的不足，本发明提供了一种静态功耗自动配置的低功耗前端读出电路及设计方法。
12.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
13.一种静态功耗可全自动配置的低功耗前端读出电路，包括:
14.前置放大器，其输入端与辐射探测器的输出端连接，用于对辐射探测器产生的电信号放大；
15.成形器，其输入端与所述前置放大器的输出端连接，用于信号放大后的辐射探测器产生的电信号整形滤波；
16.数模转换器，用于提供阈值电压v
ref
；
17.自动配置逻辑，其输出端与静态功耗配置位连接、并根据电压v
ref
调节静态功耗配置位；
18.鉴别器，其输入端分别与所述成形器和所述数模转换器的输出端连接，当成形器的输出信号高于阈值电压v
ref
，鉴别器输出触发信号；
19.数字处理电路，其输入端与鉴别器的输出端连接，用于处理所述触发信号。
20.静态功耗可全自动配置的低功耗前端读出电路的设计方法，包括以下步骤：
21.确定所述前置放大器和成形器连接成的模拟前端电路的输出噪声与前置放大器静态功耗之间的关系；
22.确定不同阈值电压v
ref
下前置放大器的最低静态功耗，所述自动配置逻辑根据所述最低静态功耗对所述静态功耗配置位动态配置。
23.优选的，确定模拟前端电路的输出噪声与前置放大器静态功耗之间的关系的步骤包括：
24.对模拟前端电路建立等效噪声模型；
25.将前置放大器输入端的电流噪声表达为，
[0026][0027]
将前置放大器输入端的电压噪声表达为，
[0028][0029]
将所述成形器的输出端的总噪声表达为，
[0030][0031]
将成形器输出端总噪声转换为等效噪声电荷enc表示模拟前端电路的噪声，
[0032][0033]
由公式(6)得到，前置放大器输入管跨导g
m
与所述模拟前端电路的直流偏置电流i
ds
的关系如下，
[0034][0035]
通过公式(7)表示模拟前端电路的输出噪声与前置放大器静态功耗之间的关系；
[0036]
其中，q为单位电荷，i
leak
为探测器的漏电流，k为玻尔兹曼常数，t为环境绝对温度，r
bias
为探测器的偏置电阻，r
f
为前置放大器的反馈电阻；g
m
为前置放大器输入管的跨导，k
f
为低频噪声的系数，c
ox
为单位面积的栅氧化层电容，w和l为输入管的宽和长，f表示频率；其中μ为电子或空穴的迁移率。
[0037]
优选的，确定不同阈值电压v
ref
下前置放大器的最低静态功耗的步骤包括：
[0038]
将阈值电压v
ref
的变化量表示为，
[0039]
δv
ref
＝v
ref
‑
v
ref_min
ꢀꢀꢀ
(8)
[0040]
通过阈电压值v
ref
的变化量和模拟前端的转换增益h
o
确定对应的等效噪声电荷enc变化量为，
[0041][0042]
结合所述公式(6)、(7)和(9)得到所述阈值电压v
ref
和前置放大器的输入管的偏置电流i
ds
存在对应关系如公式(10)所示，
[0043][0044]
将最小探测能量q
min
对应的输入管的偏置电流i
ds_max
与不同阈值电压v
ref
下输入管偏置电流i
ds
之间的关系表示为，
[0045]
δi
ds
＝i
ds_max
‑
i
ds
ꢀꢀꢀ
(11)
[0046]
结合公式(6)、(7)、(9)、(10)和(11)得不同阈值电压v
ref
下输入管的偏置电流变化量δi
ds
表示为，
[0047][0048]
通过电子设计自动化工具确定不同阈值电压v
ref
下输入管的偏置电流变化量δi
ds
的具体影响参数，自动配置逻辑根据所述公式(12)自动配置所述模拟前端电路的静态功耗，其中，模拟前端电路降低的静态功耗p
down
表示为，
[0049]
p
down
＝vdda
·
δi
ds
ꢀꢀꢀ
(13)
[0050]
其中h
o
为模拟前端的转换增益，v
ref_min
为最小探测能量
q
min
对应的阈值电压，i
ds_max
最小探测能量q
min
对应的输入管的偏置电流，enc
min
最小探测能量q
min
对应的模拟前端电路噪声性能，g
m_max
为最小探测能量q
min
对应的输入管的跨导。
[0051]
发明提供的一种静态功耗自动配置的低功耗前端读出电路及设计方法具有以下有益效果：本发明采用静态功耗可全自动配置的低功耗前端读出电路实现了模拟前端电路静态功耗的动态管理，使得前端读出asic在不同的阈值探测环境下以最优的静态功耗工作，从而在保证探测效率的前提下实现更低的功耗。
附图说明
[0052]
为了更清楚地说明本发明实施例及其设计方案，下面将对本实施例所需的附图作简单地介绍。下面描述中的附图仅仅是本发明的部分实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0053]
图1为本发明背景技术中提出的传统低功耗前端读出asic的结构示意图；
[0054]
图2为本发明实施例1的静态功耗可全自动配置的低功耗前端读出asic的结构示意图；
[0055]
图3为本发明实施例1的辐射探测前端读出asic的等效噪声模型的结构示意图；
[0056]
图4为本发明实施例1的低功耗前端读出asic的静态功耗仿真图；
[0057]
图5为本发明实施例1的静态功耗可配置前置放大器拓扑结构的结构示意图。
具体实施方式
[0058]
为了使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案并能予以实施，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
[0059]
实施例1
[0060]
本发明提供了一种静态功耗可全自动配置的低功耗前端读出电路，具体结构如图2所示，包括模拟前端电路，模拟前端电路包括前置放大器，其上设置有静态功耗配置位，其输出端连接有成形器的输入端；自动配置逻辑电路，包括自动配置逻辑，自动配置逻辑的输入端与提供阈值电压v
ref
的数模转换器的输入端连接，其输出端与前置放大器的静态功耗配置位连接；鉴别器，其输入端分别与成形器和数模转换器的输出端连接，其输出端连接有数字处理电路；前置放大器和成形器依次对辐射探测器产生的电信号进行放大和整形滤波，根据阈值电压v
ref
调节静态功耗配置位，成形器的输出信号与阈值电压v
ref
进行比较，当输出信号高于阈值电压v
ref
时，鉴别器输出数字触发信号，数字处理电路对该数字触发信号处理得到入射粒子的能量以及时间信息。
[0061]
本发明提出的静态功耗可全自动配置的低功耗前端读出电路结构如图2所示，在图1的基础上加入了实现全自动配置的自动配置逻辑(automatic configuration logic，acl)。同时在前置放大器加入了静态功耗配置位，在低噪声模拟前端读出asic的设计中，前置放大器的功耗占整个模拟前端功耗的80％以上，此外，在先进的深亚微米工艺下的模拟前端会省略成形器电路来节省面积和减少功耗，因此本发明是对前置放大器的静态功耗进行全自动配置来实现动态低功耗前端读出集成电路。其中自动配置逻辑acl的输入位m和输出位数n由具体的设计要求决定，前置放大器的静态功耗配置开关位数与acl的输出位数保
持一致。
[0062]
本发明的静态功耗可全自动配置的低功耗前端读出电路的设计方法包括两个步骤：确定模拟前端电路的输出噪声与前置放大器静态功耗之间的关系；确定不同阈值电压v
ref
下前置放大器的最低静态功耗，自动配置逻辑根据模拟前端电路的最低静态功耗对前置放大器进行动态配置。
[0063]
为了准确地确定模拟前端输出噪声与前置放大器静态功耗的关系，需要对模拟前端电路进行等效噪声建模，如图3所示，噪声源主要来自前置放大器的输入晶体管，探测器偏置电路以及探测器的漏电流，可以用电流噪声和电压噪声来表示。
[0064]
通过前置放大器输入端的电流噪声和电压噪声表示成形器的输出端的总噪声
[0065]
前置放大器输入端的电流噪声通过功率谱密度表达为：
[0066][0067]
其中，q为单位电荷，i
leak
为探测器的漏电流，k为玻尔兹曼常数，t为环境绝对温度，r
bias
为探测器的偏置电阻，r
f
为前置放大器的反馈电阻。
[0068]
电压噪声主要由前置放大器的输入管贡献，前置放大器输入端的电压噪声通过功率谱密度表达为：
[0069][0070]
其中，g
m
为前置放大器输入管的跨导，k
f
为低频噪声的系数，c
ox
为单位面积的栅氧化层电容，w和l为输入管的宽和长，f表示频率。
[0071]
当前置放大器的核心运算放大器的增益足够高时，在cmos电路中，前置放大器输入端的等效电流噪声和等效电压噪声最后在成形器(此处为方便分析使用cr
‑
rc成形器)输出端的总噪声的表达式为：
[0072][0073]
通过成形器输出端总噪声转换为等效噪声电荷enc表示模拟前端电路的噪声：
[0074][0075]
从公式(6)可知，在成形器的成形时间确定后，模拟前端的等效噪声电荷enc与前置放大器静态功耗的关系通过输入管的跨导g
m
来确定，而其他参数都与模拟前端的静态功
耗无关。当前置放大器输入管的最优宽度w和长度l确定后，g
m
与直流偏置电流i
ds
的关系如式(7)所示，其中μ为电子或空穴的
[0076][0077]
根据公式(6)、(7)，可以使用电子设计自动化eda工具来确定不同成形时间τ下的模拟前端电路的输出噪声等效噪声电荷enc与前置放大器静态功耗的对应关系，自动配置逻辑acl对前置放大器动态配置的是基于数模转换器dac提供的阈值电压v
ref
进行的。对于较小的阈值电压v
ref
，模拟前端电路的输出噪声enc必须要小，以满足在设定阈值下的最小探测能量的触发率达到90％，从而保证模拟前端电路探测的准确性。相反地，对于较大的v
ref
，模拟前端电路的输出噪声等效噪声电荷enc在保证触发率的情况下可以提高模拟前端电路的输出噪声等效噪声电荷enc变化量δenc，这根据公式(6)、(7)改变前置放大器输入管的跨导g
m
可以实现，从而降低模拟前端电路的静态功耗。
[0078]
模拟前端电路的输出噪声enc的优化是根据实际应用中的最小探测能量q
min
进行的。在功耗的限制下，最优的模拟前端电路噪声性能enc
min
对应的输入管的跨导为g
m_max
，此时模拟前端电路的静态功耗最大。
[0079]
当阈值电压v
ref
高于最小探测能量q
min
对应的阈值电压v
ref_min
时，将阈值电压v
ref
的变化量表示为，
[0080]
δv
ref
＝v
ref
‑
v
ref_min
ꢀꢀꢀ
(8)。
[0081]
通过阈值电压v
ref
的变化量和模拟前端的转换增益h
o
确定对应的模拟前端电路的输出噪声等效噪声电荷enc噪声变化量表示为，
[0082][0083]
结合公式(6)、(7)和(9)得到阈值电压v
ref
和前置放大器的输入管的偏置电流i
ds
存在对应关系如公式(10)所示，
[0084][0085]
将最小探测能量q
min
对应的输入管的偏置电流i
ds_max
与不同阈值电压v
ref
下输入管偏置电流i
ds
之间的关系表示为，
[0086]
δi
ds
＝i
ds_max
‑
i
ds
ꢀꢀꢀ
(11)。
[0087]
结合公式(6)、(7)、(9)、(10)和(11)得不同阈值电压v
ref
下输入管的偏置电流变化量δi
ds
表示为，
[0088][0089]
其中h
o
为模拟前端的转换增益，v
ref_min
为最小探测能量q
min
对应的阈值电压，i
ds_max
最小探测能量q
min
对应的输入管的偏置电流，enc
min
最小探测能
量q
min
对应的模拟前端电路噪声性能，g
m_max
为最小探测能量q
min
对应的输入管的跨导。
[0090]
根据公式(12)可知，阈值电压v
ref
和前置放大器的输入管的偏置电流i
ds
存在一定的对应关系，通过电子设计自动化工具确定不同阈值电压v
ref
下输入管的偏置电流变化量δi
ds
的具体影响参数，自动配置逻辑根据公式(12)自动配置模拟前端电路的静态功耗，模拟前端电路降低的静态功耗p
down
表示为，
[0091]
p
down
＝vdda
·
δi
ds
ꢀꢀꢀ
(13)。
[0092]
如图2所示，m位的数模转换器dac提供阈值电压v
ref
，自动配置逻辑acl可以根据阈值电压v
ref
与数模转换器dac的输入码字的对应关系以及阈值电压v
ref
与输入管偏置电流i
ds
的对应关系来输出合适的n位控制码字去控制前置放大器的n位静态功耗配置开关，这样就确定了全自动配置自动配置逻辑acl的n位输出配置码字与m位数模转换器dac输入码字的对应关系，然后根据这种对应关系设计的acl就可以实现全自动配置模拟前端静态功耗的功能。
[0093]
在本实施例中，具体实施过程为：
[0094]
第一步：静态功耗可配置前置放大器的具体实现方式如图5所示，前置放大器的核心放大器采用基于pmos输入管的折叠共源共栅结构，可以保证在低功耗条件下实现大的增益带宽积，同时可以更加方便地实现静态功耗配置功能。前置放大器的输入管m0的w和l根据具体的探测器电容来确定最优值，反馈电阻r
f
用工作在线性区的mos管实现。输入管的最优跨导g
m
根据最小探测能量下限要求的enc
min
进行设计，m1管上的直流电流按照最大探测能量上限进行设计，静态功耗配置位n和每一位上配置电流(i0，i1，
…
，i
n
‑1)的大小根据实际的应用设定合理的值。
[0095]
第二步：自动配置逻辑使用一个m线
‑
n线编码器来实现。m线
‑
n线编码器的实现根据具体的设计要求进行实现。自动配置逻辑acl输入和输出的真值关系也是根据具体的设计要求以及每一个配置位上的电流值大小来确定，这增加了设计的灵活性。
[0096]
例如，假设自动配置逻辑acl的输入位m为7，输出位n为4，则前置放大器的配置开关也为4位，每一位的配置电流大小按照二进制加权配置，自动配置逻辑alc的输入输出对应的真值表如表1所示，根据真值表可以完成对应7线
‑
4线编码器的设计。
[0097]
表1一种7线
‑
4线编码器的真值表
[0098]
输入码输出码0000000～000011111110001000～000111111100001000～001011111010100000～010011110110101000～010111110100110000～011011110010111000～011111110001000000～100011101111001000～100111101101010000～101011101011011000～10111110100
1100000～110011100111101000～110111100101110000～111011100011111000～11111110000
[0099]
本发明的静态功耗可全自动配置的低功耗前端读出asic结构使用标准商用350nm cmos工艺进行了验证，具体的：
[0100]
探测器电容c
t
为5pf，成形时间τ为0.25μs，模拟前端的静态功耗仿真结果如图4所示。本发明提出的前端读出电路中，当阈值电压设定为可探测能量下限q
min
(0.5fc)对应的值v
ref_min
时(7mv)，此时模拟前端的静态功耗最大为p
max
(1.1mw)，模拟前端的enc噪声为enc
min
(55e
‑
)；当阈值电压设定为可探测能量上限q
max
(15fc)对应的值v
ref_max
时(900mv)，此时模拟前端的静态功耗最小为p
min
(0.56mw)，模拟前端的enc噪声为enc
max
(1083e
‑
)。在v
ref_min
和v
ref_max
之间取三个点v
ref_1
(330mv)、v
ref_2
(520mv)、v
ref_3
(710mv)，这三个阈值依次对应的可探测能量下限为6fv、9fc、12fc，在保证有效触发率大于90％的条件下依次动态分配模拟前端的静态功耗，可得三种情况下模拟前端的静态功耗依次为p1(0.91mw)、p2(0.77mw)、p3(0.64mw)。从图4可知，本发明可以在保证设定阈值条件下的触发率满足应用要求的情况下，实现了静态功耗的全自动分配，最大静态功耗p
max
(1.1mw)与最小静态功耗p
min
(0.56mw)相差0.54mw，而图1中传统的低功耗模拟前端的静态功耗无论设定的阈值电压如何变化都保持恒定的p
max
(1.1mw)。此外，自动配置逻辑acl电路使用逻辑电路实现，所以它产生的额外功耗可以忽略不计，因此，本发明的最低静态功耗是传统低功耗前端读出结构的49％。
[0101]
以上实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换，均属于本发明的保护范围。