開關復位型前放芯片CPRE_SW2的噪聲及抗輻射性能測試*

暴子瑜，王 科, 李 鮮, 曹學蕾

(1.中國科學院高能物理研究所 粒子天體物理重點實驗室，北京 100049;2.中國科學院高能物理研究所 粒子天體物理研究中心，北京 100049；3.中國科學院高能物理研究所 核探測與核電子學國家重點實驗室，北京 100049)

半導體探測器是以半導體材料為探測介質(zhì)的輻射探測器，有噪聲低、線性好、計數(shù)率高等特點，在高能天體物理、工業(yè)、核醫(yī)學、軍事等領域應用越來越廣泛[1].在實際測量中，為了減小探測器輸出端到主設備間的分布電容影響，提高信噪比，通常將前置放大器放置在探測器附近，對探測器信號進行預處理，這對前放的能量分辨和噪聲水平提出了很高的要求.目前SDD(silicon drift detector)、Si-PIN、CdTe等探測器可在低溫條件下工作，大大降低漏電流及噪聲，從而可以使用開關復位型前置放大器.開關型前放與傳統(tǒng)前放相比可以大大減小反饋電阻的噪聲貢獻及信號堆積現(xiàn)象.

一般由分立元件搭建的電路集成度低，功耗大，國內(nèi)外有多家單位已經(jīng)進行了開關復位型前放芯片的設計嘗試[2-3].高能所自主研制的前放芯片CPRE_SW2也是其中一種，其具有低噪聲大動態(tài)范圍的特性，噪聲仿真值5.5e+6e/pF(濾波后)，是專為低噪聲、低漏電探測器優(yōu)化設計的一款電荷靈敏前置放大器芯片.芯片原理簡圖如圖1所示，與傳統(tǒng)前放芯片相比，CPRE_SW2采用開關放電方式，并且可以通過改變外接偏置電路的連接方式在阻容反饋及電平反饋模式下工作，以滿足不同使用情況下對信噪比、能量分辨及動態(tài)范圍的要求[4].下述此芯片的三種不同工作模式.

1 CPRE_SW2的放電模式

1.1 開關放電模式

開關型電荷靈敏前放與傳統(tǒng)電荷靈敏前放的區(qū)別在于開關前放的反饋回路中只有積分電容，而提供直流反饋和釋放電荷的反饋電阻被一個由比較器控制的開關所取代.開關斷開時，其等效為一個無窮大的電阻，電路完成電荷的積分過程，待前放輸出超出線性動態(tài)范圍時，開關閉合，此時開關又等效為阻值很小的電阻，于是前放又以很小的時間常數(shù)完成積分電容上累積電荷的釋放.

在開關模式下可以消除回路中反饋電阻的噪聲影響，并且可以減少前放輸出在上升過程中部分電荷被反饋電阻釋放而造成的彈道虧損，但此模式操作及電路設計相對麻煩，需在外部設置電路給出復位信號.

1.2 電阻連續(xù)放電模式

電阻連續(xù)放電方式是通過反饋電容將電流積分，再在Vout與Vin之間接一大阻值反饋電阻，泄放電荷防止電容飽和，即變成了常用的阻容反饋型前放(連續(xù)復位).本電路中保持開關RESET_IN斷開，芯片設置了一個測試端口，內(nèi)部連接了一個5 fF的刻度電容，測試時可以使用穩(wěn)壓源注入不同幅度的脈沖信號模擬信號源.

這種電路操作方便，但反饋電阻會引入一定的電阻熱噪聲，增大反饋電阻阻值可以減少這部分熱噪聲的影響，但同時也會增大前放輸出信號的衰減時間常數(shù).

1.3 電平反饋模式

如結(jié)型場效應晶體管中漏極放電一樣[5]，電平反饋模式指將芯片中反饋端通過電阻接某電平(如圖2所示).如輸入點靜態(tài)電位0 V，將其通過開關及電阻接入0.01 V，其輸出就會很快跳變到負向飽和點，從而使測量時向上變化的空間最大.如接入-0.01 V，則跳變到正向飽和，測量時向上變化的空間最大.此種復位模式的好處是對同一種芯片分別對應收集電子或空穴(兩種方向漏電流)，動態(tài)范圍都可以很大，是一種更加通用的方式.

2 電子學測試系統(tǒng)設計

將芯片搭載在一塊偏置電路板上，在板上由一些分立元件為芯片提供供電濾波、RESET信號、選擇工作模式等功能.對于單電源數(shù)字信號轉(zhuǎn)雙電源，采用DS26C32AM元件.該元件可實現(xiàn)通過比較輸入電壓與給定電壓的大小輸出高低電平，提供開關復位信號.設計的偏置電路板如圖3所示.測試過程中采用ORTEC公司的752A型主放插件，將放大后的信號接入MCA8000A多道分析器中，分析能譜特性.

3 芯片性能測試

3.1 芯片電子學噪聲測試

整個芯片測試板由外部的+2.5 V和-2.5 V電源供電，總電流分別為14 mA和15 mA，總功耗為72.5 mW.其中前放電流為2 mA，功耗為10 mW.通過在測試端使用Agilent33521A型信號發(fā)生器注入上升沿很快、下降沿很慢的三角波模擬探測器信號，測試芯片在不同工作模式下的電子學噪聲.

3.1.1主放最佳成形時間選取首先在未接探測器的情況下測試，在測試端通過波形發(fā)生器注入1 kHz，幅度為100 mV的三角波信號，經(jīng)過刻度后為5.6 fF的電容模擬探測器電荷，注入電荷量為脈沖幅度與耦合電容的乘積.芯片在開關模式下工作，通過對成形模塊成形時間的調(diào)節(jié)測試在不同成形時間下的能譜，分別計算各成形時間下的電子學噪聲.沒有加探測器的純電子學測試下漏電流噪聲極小，而芯片的場效應管溝道熱噪聲與成形時間成反比關系，因此整體電子學噪聲隨成形時間變長而變小[6].各成形時間下的電子學噪聲值如表1所示，繪制噪聲值隨成形時間的變化曲線(圖4)，可以看出測試結(jié)果與理論預期符合.在當前測試狀態(tài)下,10 μs成形時間可以獲得最好的信噪比，后續(xù)電子學實驗均采用主放成形時間10 μs測試.

表1 成形時間測試結(jié)果Tab.1 Test results of shaping time

3.1.2開關放電模式電子學噪聲測試Fe55在6.5 keV處能量轉(zhuǎn)化為在5.6 fF刻度電容下的輸入電壓，約為52 mV，因此,在此模式下改變注入的信號幅度使信號發(fā)生器產(chǎn)生50～150 mV的三角波模擬，0.28～0.84 fC的電荷注入，分析其電子學噪聲.在注入100 mV電壓時所得到的能譜圖如圖5所示.各電荷量下的電子學噪聲值在表2中給出.

表2 開關放電模式下的電子學噪聲Tab.2 The electronic noise of switch-reset mode

3.1.3電阻連續(xù)放電模式電子學噪聲測試在反饋端接1 GΩ的電阻開關保持斷開狀態(tài)，用信號發(fā)生器注入頻率為1 kHz幅度為100 mV的三角波信號，在主放成形時間10 μs情況下測試此時的電子學噪聲.經(jīng)計算，此模式下的等效噪聲電荷(ENC)為17.1 e，電子學噪聲(FWHM)為146 eV，比開關模式下電子學噪聲小，這與理論不符，可能是此時反饋電阻與輸入端形成了一定耦合電容，導致計算輸入電荷不準造成的.

3.1.4電平反饋模式測試將反饋端接輸入點閾值附近0.01 mV，開關保持閉合后， 輸出能快速變到負向飽和電壓.開關斷開后，輸出基線經(jīng)過一段時間后開始上抬，其變化與開關放電模式類似，其噪聲性能也一致.因此，此模式要合理工作，需要加比較器在芯片輸出端，偵測到復位快進入飽和區(qū)，即停止復位，開始正常采集.

3.2 芯片與探測器聯(lián)調(diào)試用

采用6 mm2Si-PIN探測器在真空罐中對芯片開關模式進行了低溫測試.成形時間選擇6 μs，溫度降到-28 ℃，F(xiàn)e55源在5.9 keV處的分辨約為414 eV(圖6)，其結(jié)果較為合理.

3.3 芯片單粒子效應測試

在空間環(huán)境中時，芯片不可避免地會受到空間輻射環(huán)境中的帶電粒子輻射.單粒子閉鎖是帶電粒子輻射效應之一，有可能導致器件燒毀，且主要發(fā)生于CMOS器件中[7].本文利用中國原子能科學研究院HI-13串列靜電加速器作為模擬源對芯片CPRE_SW2進行了摸底實驗.

本實驗中選取3塊同樣工藝同一批次的CPRE_SW2測試板, 通過網(wǎng)線及Windows自帶遠程控制程序控制位于實驗廳的主計算機.主計算機通過自編的控制程序遠程控制穩(wěn)壓源(已設定限流50 mA)給實驗板供電，并實時記錄電流電壓值.也可通過主計算機上外接的攝像頭，通過視頻直接觀測穩(wěn)壓源的電流變化，監(jiān)測測試板的單粒子效應(如圖7所示).當電流源出現(xiàn)電流陡增情況時判定為一次SEL鎖定，對其記錄，并手動復位.

實驗時粒子注量率在10 000個/s以上，總注量需達到107個.先選取能量較小的Ge離子照射后無單粒子鎖定情況，逐漸增大到能量為283的I離子照射，每次測試在約1.4×104/(cm2·s)注量率下總注量達到107/cm2，均沒有發(fā)生鎖定現(xiàn)象(測試使用的離子參數(shù)見表3，測試板SiO2層厚度為7.46 μm，離子穿過SiO2層后參數(shù)有所改變).輻照測試完成后再次對芯片進行性能測試，3塊板性能均與實驗前保持一致，工作正常，判斷測試板的單粒子鎖定閾值不低于I離子的有效LET值56.7 MeV·cm2/mg.

表3 輻照測試離子參數(shù)表Fig 3 Ion parameter table of radiation test

3 結(jié)論

對芯片進行完整的噪聲測試與抗輻照測試后，發(fā)現(xiàn)芯片具有較低的噪聲，較高的抗單粒子鎖定(SEL)性能，但芯片在電子學測試及與探測器聯(lián)調(diào)過程中的噪聲值高于仿真噪聲值5.5e+6e/pF.產(chǎn)生誤差的原因可能是工藝廠商仿真模型問題，后仿真不到位，測試時波形發(fā)生器帶來的噪聲等.接下來，擬設計下一版芯片，更換工藝廠商，采用更準確模型并全面提取后仿真參數(shù)，減少外引出管腳，達到真正的實用化.

感謝中國原子能科學研究院HI-13串列靜電加速器的精心準備和平穩(wěn)運行.