[发明专利]前端读出集成电路的等效噪声电荷测试电路及测试方法

说明书

本发明涉及一种前端读出集成电路的等效噪声电荷测试电路及测试方法，根据前端读出芯片的等效噪声电荷与探测器电容两者之间的关系，首先将前端读出芯片置于测量系统内，完成电气测试准备。其次，利用FPGA控制开关的状态实现不同的探测器电容值，并测量出不同电容下的等效噪声电荷值，通过线性拟合计算出等效噪声斜率。再次，将输入端邦定线挑断，计算出零输入电容条件下的等效噪声电荷值。最后，提出测试得到的前端读出集成电路等效噪声电荷公式。该方法能够实现前端读出集成电路等效噪声电荷参数的全自动测试，适合于大批量前端读出集成电路芯片测试，效率高，成本低，对于前端读出集成电路的性能评价具有科学的指导意义。

技术领域

本发明属于前端读出集成电路的等效噪声电荷测试电路及测试方法，涉及采用基于FPGA的测试电路对模拟前端读出集成电路的等效噪声电荷进行自动测试。

背景技术

前端读出集成电路是半导体辐射探测器系统的核心电子元器件。由电荷灵敏放大器和脉冲成形放大器组成的模拟前端读出集成电路简化原理图如图1所示。等效噪声电荷(ENC)是评价前端读出集成电路的一个重要性能指标，其定义为：

其中，是前端读出集成电路输出电压积分噪声均方根值，A_Q为前端读出集成电路电荷-电压转换增益。ENC的单位为ENC反映了芯片中前端读出集成电路的噪声水平。ENC值越小，表明前端读出集成电路的噪声水平越低。精确测量前端读出集成电路的ENC对于整个半导体辐射探测器系统的噪声设计非常重要。特别是在大批量前端读出集成电路芯片研发过程中，采用全自动的测试方法，对于降低前端读出芯片的测试成本非常必要。

文献1：W.Gao,S.Li,Y.Duan,et al.Design and Characterization of a Low-Noise Front-End Readout ASIC in 0.18μm CMOS Technology for CZT/Si-PINDetectors[J]. IEEE Transactions on Nuclear Science,2018,PP(99):1-1。详细介绍了前端读出集成电路的系统级ENC模型，可以推导得出前端读出集成电路的ENC与探测器寄生电容C_d之间的关系为：

其中，k为玻尔兹曼常数，T为环境绝对温度，g_m0为前端读出芯片前置放大器输入晶体管的跨导，常数γ_n当输入管工作在饱和区时取2/3，t_p为前端读出芯片成形器的成形时间，K_f为低频噪声的系数，C_ox为单位面积的栅氧化层电容，W₀和L₀分别为芯片输入晶体管的宽度和长度，C_f为前置放大器的反馈电容，C_in为前置放大器输入端电容，ENC_i为与电流噪声相关的分量，ENC_const为与电源噪声相关的分量。当前端读出集成电路制造完成后，k、T、γ_n、t_p、g_m0、K_f、C_ox、W₀、L₀、C_f、C_in、和均为常数，当C_d足够大时，公式(1)中后两项之和远小于第一项的值，则ENC可以近似为

令且ENC₀＝k(C_f+C_in)，则公式(2)可以改写为

ENC＝ENC₀+kC_d (4)

因此，测试ENC随C_d变化的关系，需要完成ENC₀和k两个参数的测试。