基于數字濾波的前端讀出微電子系統(tǒng)研究

1、摘要摘要本論文源自國家自然科學基金面上項目（No.11475136），重點研究了基于數字濾波的前端讀出電路。設計了一款前端讀出原型芯片并測試。該研究對設計新穎的前端讀出芯片有重要理論意義和工程應用價值。本文的主要研究工作包括：（1）對前端讀出電路結構和信號處理方法進行了分析，采用Matlab進行了系統(tǒng)級行為建模；（2）開展了180nmCMOS工藝下低噪聲模擬前端讀出集成電路技術研究，設計了電荷靈敏放大器、濾波成形器、SK濾波器、可變增益

2、放大器和模數轉換器等基本模塊；（3）完成了一款前端讀出ASIC和一款ADC原理樣片的電路設計和版圖設計；（4）開發(fā)了基于數字濾波的前端讀出芯片對比測試系統(tǒng)，進行了芯片的測試評估；（5）采用Simulink對自行提出的數字濾波算法進行了仿真分析，并基于Verilog語言完成了數字濾波算法的硬件實現。本論文的主要創(chuàng)新點包括：（1）提出基于深N阱工藝的電荷靈敏放大器設計方案，抑制芯片的襯底噪聲對ENC的影響，可以提高芯片的噪聲性能。（2）提出

3、了采用數字鎖相環(huán)細量化的單斜坡模數轉換器結構，解決了單斜坡模數轉換器速度和精度矛盾的問題，提升數據轉換器的精度。（3）提出了二進制加權編碼的可變增益放大器，可以明顯提高放大器的增益變化范圍，獲得更加精確的增益控制。論文采用TSMC0.18μmCMOS工藝設計了一款原型芯片，裸片尺寸為2000μm2500μm；通過測試，其噪聲性能為114e18.5epF，能譜分辨率達到4%。本論文的下一步工作是將前端讀出電路和數字濾波算法集成在同一塊芯片

4、中。關鍵詞：前端電子，讀出電路，集成電路，數字濾波，數字成形，梯形濾波I目錄目錄摘要.........................................................................................................................................IAbstract................................

5、...................................................................................................III目錄....................................................................................................................

6、...................V1.緒論.....................................................................................................................................11.1.項目背景......................................................

7、..................................................11.2.研究意義........................................................................................................31.3.國內外研究發(fā)展動態(tài)...........................................

8、.........................................31.4.研究方案........................................................................................................51.4.1.基本電路模塊研究...................................................

9、..............................51.4.2.數字前端電路架構優(yōu)化設計.................................................................51.5.論文安排.................................................................................................

10、.......62.前端探測系統(tǒng)概述.............................................................................................................72.1.核輻射探測器..................................................................................

11、..............72.1.1.氣體探測器.............................................................................................72.1.2.閃爍體探測器........................................................................................

12、.82.1.3.半導體探測器.........................................................................................92.2.前端讀出電子系統(tǒng)......................................................................................112.2.1.前置放大器.....

13、......................................................................................122.2.2.濾波成形器...........................................................................................132.2.3.噪聲分析..................

14、.............................................................................172.3.本章小結......................................................................................................173.前端電路設計.....................

15、..............................................................................................193.1.設計需求......................................................................................................193.2.總體方案....

16、..................................................................................................193.3.電路設計......................................................................................................203.3.1.電荷

17、靈敏放大器電路的設計...............................................................203.3.2.成形器電路的設計...............................................................................223.3.3.SK濾波器電路的設計..................................

18、.......................................233.3.4.可變增益放大器電路的設計...............................................................263.3.5.比較器電路的設計...............................................................................293