基于數(shù)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(shù)字濾波的前端讀出電路。設(shè)計了一款前端讀出原型芯片并測試。該研究對設(shè)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(jié)構(gòu)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(shù)研究，設(shè)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(shù)轉(zhuǎn)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(shè)計和版圖設(shè)計；（4）開發(fā)了基于數(shù)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(shù)字濾波算法進行了仿真分析，并基于Verilog語言完成了數(shù)字濾波算法的硬件實現(xiàn)。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(shè)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(shù)字鎖相環(huán)細量化的單斜坡模數(shù)轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)，解決了單斜坡模數(shù)轉(zhuǎn)換器速度和精度矛盾的問題，提升數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的精度。（3）提出了二進制加權(quán)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(shè)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(shù)字濾波算法集成在同一塊芯片

4、中。關(guān)鍵詞：前端電子，讀出電路，集成電路，數(shù)字濾波，數(shù)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(nèi)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(shù)字前端電路架構(gòu)優(yōu)化設(shè)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(jié)......................................................................................................173.前端電路設(shè)計.....................

15、..............................................................................................193.1.設(shè)計需求......................................................................................................193.2.總體方案....

16、..................................................................................................193.3.電路設(shè)計......................................................................................................203.3.1.電荷

17、靈敏放大器電路的設(shè)計...............................................................203.3.2.成形器電路的設(shè)計...............................................................................223.3.3.SK濾波器電路的設(shè)計..................................

18、.......................................233.3.4.可變增益放大器電路的設(shè)計...............................................................263.3.5.比較器電路的設(shè)計...............................................................................293