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(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（No.11475136），重點(diǎn)研究了基于數(shù)字濾波的前端讀出電路。設(shè)計(jì)了一款前端讀出原型芯片并測(cè)試。該研究對(duì)設(shè)計(jì)新穎的前端讀出芯片有重要理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。本文的主要研究工作包括：（1）對(duì)前端讀出電路結(jié)構(gòu)和信號(hào)處理方法進(jìn)行了分析，采用Matlab進(jìn)行了系統(tǒng)級(jí)行為建模；（2）開(kāi)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(jì)了電荷靈敏放大器、濾波成形器、SK濾波器、可變?cè)鲆?/p>

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A(yù)DC原理樣片的電路設(shè)計(jì)和版圖設(shè)計(jì)；（4）開(kāi)發(fā)了基于數(shù)字濾波的前端讀出芯片對(duì)比測(cè)試系統(tǒng)，進(jìn)行了芯片的測(cè)試評(píng)估；（5）采用Simulink對(duì)自行提出的數(shù)字濾波算法進(jìn)行了仿真分析，并基于Verilog語(yǔ)言完成了數(shù)字濾波算法的硬件實(shí)現(xiàn)。本論文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)包括：（1）提出基于深N阱工藝的電荷靈敏放大器設(shè)計(jì)方案，抑制芯片的襯底噪聲對(duì)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(xì)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(wèn)題，提升數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的精度。（3）提出了二進(jìn)制加權(quán)編碼的可變?cè)鲆娣糯笃鳎梢悦黠@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(jì)了一款原型芯片，裸片尺寸為2000μm2500μm；通過(guò)測(cè)試，其噪聲性能為114e18.5epF，能譜分辨率達(dá)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(xiàng)目背景......................................................

7、..................................................11.2.研究意義........................................................................................................31.3.國(guó)內(nèi)外研究發(fā)展動(dòng)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(jì).................................................................51.5.論文安排.................................................................................................

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

11、..............72.1.1.氣體探測(cè)器.............................................................................................72.1.2.閃爍體探測(cè)器........................................................................................

12、.82.1.3.半導(dǎo)體探測(cè)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(jì).....................

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

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

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

18、.......................................233.3.4.可變?cè)鲆娣糯笃麟娐返脑O(shè)計(jì)...............................................................263.3.5.比較器電路的設(shè)計(jì)...............................................................................293