[发明专利]一种基于电荷分配网络的宽输入电荷灵敏放大器

说明书

本发明提出一种基于电荷分配网络的宽输入电荷灵敏放大器，用于将入射到半导体探测器的空间辐射粒子产生的电荷信号输出为电压信号，所述放大器包括若干个并联的电路，每个电路包括串联的耦合电容和放大处理模块；所述耦合电容，用于为连接的放大处理模块分配电荷信号；所述放大处理模块，用于将电荷响应的灵敏度调节在指定的动态范围内，输出不同增益的电压信号。所述放大器采集动态范围大，噪声低，可在实现大于2fc～310pC电荷灵敏放大读出，功耗低，器件功耗小于20mW；为单电源供电；与其他电路模块集成时不会造成串扰。

技术领域

本发明属于电荷检测领域，具体而言，涉及到一种基于电荷分配网络实现宽输入电荷灵敏放大器。

背景技术

辐射粒子入射到半导体传感器后产生电子-空穴对，电子-空穴对在反偏电场作用下收集后由电荷灵敏放大器转换为电压信号进行测量。目前性能最好的电荷灵敏放大器有AMPTEK公司的A225、A250等专用器件，此外国内也有自主研制的电荷灵敏放大器；但这些放大器输入电荷响应动态范围一般不超过3个量级，例如A225电荷灵敏范围约1fC～1000Fc，电荷响应动态范围约3个量级；A250响应范围约1fC～500fC，虽然其反馈电容可调，但电荷响应动态范围不到3个量级。由于空间辐射监测LET谱仪测量范围0.001MeVcm2/mg～100MeVcm2/mg，目前没有现成的电荷灵敏放大器可以实现10⁵动态范围电荷读出功能，主要采用多个探头进行分段测量，然后人工合成。一般采用两组到三组探头即可满足0.001MeVcm2/mg～100MeVcm2/mg动态范围LET谱测量，但无法满足对单粒子效应监测被测芯片LET谱的就位探测需求，同时探头合成还受探头位置、探头屏蔽情况等复杂因素的影响，在后期合成中也会引入很多人为修正因素。

发明内容

本发明的基于电荷分配网络的宽输入电荷灵敏放大器目的在于解决现有技术无法满足单探头10⁵大动态范围采集功能需求，而合成探头引入很多人为修正因素，影响测量精度的问题。为实现上述目的，本发明提出一种基于电荷分配网络的宽输入电荷灵敏放大器，用于将入射到单个半导体探测器的空间辐射粒子产生的电荷信号输出为电压信号，所述放大器包括若干个并联的电路，每个电路包括串联的耦合电容和放大处理模块；

所述耦合电容，用于为连接的放大处理模块分配电荷信号；

所述放大处理模块，用于将电荷响应的灵敏度调节在指定的动态范围内，输出不同增益的电压信号。

作为所述装置的一种改进，所述电路还包括场效应晶体管MOSFET，用于提高耦合电容分配电荷的精度；所述场效应晶体管MOSFET的栅极与耦合电容相连，所述场效应晶体管MOSFET的源极与地相连，所述场效应晶体管MOSFET的漏极通过上拉电阻连接电源。

作为所述装置的一种改进，所述为第i个电路的耦合电容Ci0分配的电荷Q_i为：

其中，Q为半导体探测器输出的总电荷；c_i为第i个电路的耦合电容的电容值，1≤i≤N，1≤j≤N，N为耦合电容的总数。

作为所述装置的一种改进，所述放大处理模块包括一个运算放大器和一个阻容反馈电路；

所述运算放大器的同相输入端与场效应晶体管MOSFET的漏级相连，运算放大器的反相输入端接偏置电源，运算放大器的输出端输出不同增益的电压信号；

所述阻容反馈电路一端连接到场效应晶体管MOSFET的栅极，另一端相连到运算放大器的输出端，用于调节运算放大器的输出增益。

作为所述装置的一种改进，所述阻容反馈电路包括并联的反馈电阻和反馈电容，用于根据反馈电阻的电阻值和反馈电容的电容值确定运算放大器的输出增益。

作为所述装置的一种改进，第i个所述电路的放大处理模块t时刻输出电压信号Vi(t)为：