[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

说明书

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，属于低功耗前端读出集成电路结构领域。通过设计静态功耗可配置的前置放大器和全自动配置自动配置逻辑，根据不同情况下设定的阈值电压来实现前端读出ASIC的模拟前端电路静态功耗的动态管理，从而实现了在不同探测能量下限的条件下，前端读出ASIC工作在最低的功耗且满足触发率的目标。通过本发明中数字辅助的方法实现了模拟前端静态功耗的全自动管理，使前端读出ASIC可以获得更低的功耗并且适合工艺尺寸缩小的低功耗设计趋势。

技术领域

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

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。

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。

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。

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

P_total＝VDDA·I_total+P_digital (1)

I_total＝I_{pre_amp}+I_Shaper+I_{Discriminator} (2)

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。

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。

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。

发明内容

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。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种静态功耗可全自动配置的低功耗前端读出电路，包括: