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研究生:李昆政
論文名稱:低雜訊輻射偵檢器之前端訊號處理電路
論文名稱(外文):Low-Noise Front End Signal Processing Electronics of the Radiation Detector
指導教授:周懷樸
指導教授(外文):Hwai-Pwu Chou
學位類別:碩士
校院名稱:國立清華大學
系所名稱:工程與系統科學系
學門:工程學門
學類:核子工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2004
畢業學年度:92
語文別:中文
論文頁數:77
中文關鍵詞:低雜訊偵檢器
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當偵檢器電路操作在低電壓時,需小心動態範圍及雜訊干擾問題。在類比積體電路內,訊號受到二種不同雜訊干擾:元件雜訊及環境雜訊。在此本研究將集中討論元件雜訊,從雜訊之考量著手,分析元件電子雜訊對電路造成的影響,尤其以熱雜訊和閃爍雜訊對CMOS製程之電路影響更明顯。藉由電路分析找出雜訊、元件大小和功率的最佳化操作點,設計出最佳化之偵檢器前端訊號處理電路。本電路主要包含前置放大器及波形整形放大器兩部分。前置放大器主要作為雜訊匹配,由於低雜訊要求,故在前置放大器之輸入MOS元件需有非常大的通道寬長比。前置放大器以電荷靈敏放大器為主要架構,將一輸入脈衝電流轉換成一步階式電壓訊號。波形整形放大器主要功能為脈波整形,是利用微分器和積分器組成,可避免訊號產生堆疊現象,增加訊號雜訊比,其可將前置放大器的輸出訊號整形為一高斯波形,以利後續訊號處理。本電路是以TSMC 0.35um 2P4M polycide製程所提供之相關參數作為設計及模擬,最後設計出一適合偵測低能量環境輻射之偵檢器前端訊號處理電路,其等效雜訊電荷小於400e-,功率消耗約1mW,最快操作頻率為100KHz。
目錄
摘要......................................................I
誌謝.....................................................II
目錄....................................................III
圖目錄....................................................V
表目錄...................................................IX
第1章 緒論.............................................1
第2章 文獻回顧.........................................4
2.1 偵檢器前端訊號處理電路架構...........................4
2.1.1 偵檢器.............................................5
2.1.2 前置放大器.........................................6
2.1.3 波形整形放大器.....................................9
2.2 雜訊................................................11
2.2.1 元件雜訊..........................................11
2.2.2 等效雜訊電荷......................................15
第3章 偵檢器前端訊號處理電路 設計原理及推導...........16
3.1 等效雜訊電荷分析及推導..............................16
3.2 前置放大器電路分析及推導............................21
3.3 波形整形放大器電路分析及推導........................25
第4章 偵檢器前端訊號處理電路 設計、模擬及分析.........29
4.1 等效雜訊電荷的模擬與最佳化......................29
4.2 前置放大器電路設計..............................36
4.2.1 轉導放大器電路設計.................................37
4.2.2 電荷靈敏放大器設計.................................40
4.2.3 前置放大器靈敏度分析...............................44
4.3 波形整形放大器之設計............................48
4.3.1 波形整形放大器電路.................................48
4.3.2 波形整形放大器靈敏度分析...........................52
4.4 偵檢器前端訊號處理電路..........................55
4.4.1 全級電路設計.......................................55
4.4.2 全級電路靈敏度分析.................................57
4.5 全級電路規格與比較..............................63
第5章 電路佈局與晶片系統測試考量......................66
5.1 電路佈局考量及佈局圖................................66
5.2 佈局後模擬結果......................................69
5.3 晶片測試考量........................................71
第6章 結論與建議......................................73
參考文獻.................................................75
圖目錄
圖2-1:檢測器前端訊號處理電路之方塊圖.....................4
圖2-2:以JFET為輸入元件之交流偶合電路....................7
圖2-3:電壓靈敏放大器架構圖...............................8
圖2-4:電荷靈敏放大器架構圖...............................9
圖2-5:Semi-Gaussian 整形放大器架構圖....................10
圖2-6:以電壓源來表示電阻熱雜訊..........................12
圖2-7:以電流源來表示電阻熱雜訊..........................12
圖2-8:MOSFET熱雜訊等效模型..............................13
圖2-9:shot noise造成二極體電流微小變化之示意圖..........15
圖3-1:偵檢器前端訊號處理電路的等效雜訊電路圖............16
圖3-2:電荷靈敏放大器架構圖..............................22
圖3-3:折疊串接式放大器架構圖............................23
圖3-4:疊接組態放大器架構圖..............................24
圖3-5:一階波形整形放大器架構圖..........................26
圖3-6:CR微分電路........................................26
圖3-7:具有極-零抵消之波形整形放大器.....................28
圖4-1: 與輸入MOS通道寬度之關係....................30
圖4-2: 與輸入MOS通道寬度之關係....................31
圖4-3:ENC與輸入MOS通道寬度之關係....................32
圖4-4:ENC與偵檢器電容值之關係.........................33
圖4-5:MOS通道寬度固定時,ENC與偵檢器電容值成正比....34
圖4-6:輸入電流為300uA時,ENC與輸入MOS通道寬度之關係..35
圖4-7:製程變異對ENC之影響.............................36
圖4-8:電荷靈敏放大器架構圖..............................37
圖4-9:轉導放大器電路圖..................................38
圖4-10:運算轉導放大器之頻率響應.........................40
圖4-11:電荷靈敏放大器電路圖.............................41
圖4-12:電荷靈敏放大器輸出波形...........................42
圖4-13:電荷靈敏放大器不同輸入能量所產生之輸出波形.......43
圖4-14:電荷靈敏放大器之輸入能量與輸出振幅關係...........44
圖4-15:製程變化與前置放大器輸出訊號關係.................45
圖4-16:前置放大器輸出訊號與操作溫度關係.................46
圖4-17:前置放大器輸出訊號與操作電壓關係.................47
圖4-18:波形整形放大器電路圖.............................48
圖4-19:波形整形放大器之頻率響應.........................51
圖4-20:波形整形放大器之輸入與輸出波形...................51
圖4-21:波形整形放大器輸出訊號與操作電壓關係.............52
圖4-22:回授電路架構圖...................................53
圖4-23:波形整形放大器輸出訊號振幅與操作溫度之關係.......54
圖4-24:有低越現象之輸出訊號.............................55
圖4-25:偵檢器前端訊號處理電路電路圖.....................56
圖4-26:具有極-零抵消後的全級電路輸出波形................57
圖4-27:偵檢器前端訊號處理電路輸出訊號...................58
圖4-28:全級電路輸入能量與輸出訊號振幅之關係.............58
圖4-29:全級電路輸出訊號對操作溫度之關係.................59
圖4-30:全級電路輸出訊號振幅對操作溫度之關係.............59
圖4-31:全級電路輸出訊號振幅對操作電壓及製程模式之關係...60
圖4-32:以100KHz連續輸入兩個脈衝訊號,其全級電路輸出波形.61
圖4-33:不同頻率的輸入訊號,其全級電路輸出波形...........62
圖4-34:不同peaking time,其全級電路輸出波形.............62
圖5-1:前置放大器電路佈局圖..............................67
圖5-2:波形整形放大器電路佈局圖..........................67
圖5-3:偵檢器前端訊號處理電路佈局圖......................68
圖5-4:前置放大器輸出訊號佈局後模擬結果..................69
圖5-5:波形整形放大器輸出訊號佈局後模擬結................70
圖5-6:偵檢器前端訊號處理電路輸出訊號佈局後模擬結果......70
圖5-7:系統量測方塊圖....................................71

表目錄
表3-1:Beta函數表........................................20
表4-1:最小ENC與偵檢器電容值之關係.....................33
表4-2:轉導放大器的元件大小..............................39
表4-3:電荷靈敏放大器之輸入能量與輸出振幅................43
表4-4:製程變化與前置放大器輸出訊號關係..................45
表4-5:前置放大器輸出訊號與操作溫度關係..................46
表4-6:前置放大器輸出訊號與操作電壓關係..................47
表4-7:波形整形放大器元件大小值..........................50
表4-8:波形整形放大器輸出訊號振幅與操作電壓關係..........52
表4-9:波形整形放大器輸出訊號振幅在不同開迴路增益下,
對操作電壓變化之關係.............................53
表4-10:波形整形放大器輸出訊號與操作溫度之關係...........54
表4-11:輸出訊號振幅對操作電壓及製程模式之變化...........60
表4-12:設計結果比較(一).................................64
表4-12:設計結果比較(二).................................65
參考文獻

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