[发明专利]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

权利要求书

1.一种静态功耗可全自动配置的低功耗前端读出电路，其特征在于，包括:

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；

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；

数模转换器，用于提供阈值电压V_ref；

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；

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；

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。

2.根据权利要求2所述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，其特征在于，包括以下步骤：

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；

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。

3.根据权利要求2所述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，其特征在于，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：

对模拟前端电路建立等效噪声模型；

将前置放大器输入端的电流噪声表达为，

将前置放大器输入端的电压噪声表达为，

将所述成形器的输出端的总噪声表达为.

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，

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，

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；

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。

4.根据权利要求3所述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，其特征在于，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：

将阈值电压V_ref的变化量表示为，

ΔV_ref＝V_ref-V_{ref_min} (8)

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，

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，

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，

ΔI_DS＝I_{DS_max}-I_DS (11)

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，

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，

P_down＝VDDA·ΔI_DS (13)

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。