[发明专利]一种高动态范围MCP探测器前端读出电路及其读出方法

说明书

本发明公开了一种高动态范围MCP探测器前端读出电路及其读出方法，属于半导体图像感测技术领域，包括信号输入模块、动态范围扩展模块、缓冲器模块、高速比较器模块、时间数字转换模块及逻辑电路模块；其中，来自探测器的光电流信号，经过信号输入模块进入前端读出电路，然后经过动态范围扩展模块进行积分以及动态范围扩展的处理，积分之后的电压信号经过缓冲器模块进行缓冲处理，然后传输给高速比较器模块，所述的高速比较模块包括第一比较器及第二比较器。本发明采用将输入信号强弱的判定过程放到像元内部进行处理，无需复杂的后端处理过程，简化了后端电路的设计过程，使整体芯片架构简单，像元填充比高，芯片面积利用率好。

技术领域

本发明属于半导体图像感测技术领域，具体设计一种高动态范围MCP探测器前端读出电路及其读出方法。

背景技术

快中子照相技术通过对待测物体进行深入分析，可以获得详细的材料内部特性，从而实现对复杂物品和结构进行无损检测的功能，在凝聚态物理学、材料科学与工程、地球科学与及生物科学等多个基础科学领域有着广泛的需求和应用。

应用于快中子照相领域的单光子探测器，不仅需要具备单光子灵敏度，还需要能对每一时刻到达的光子进行高精度时间标记，并同时记录该光子的高精度空间二维坐标，即要求具有单光子灵敏度的三维高时空分辨率探测器。

微通道板(Microchannel plate，简称MCP)可工作在脉冲计数模式下，同时兼具几十皮秒的响应时间及几微米的空间分辨能力，使其成为单光子探测器首选的面阵光电转换器件之一，将其与不同的电荷分配和处理器件相结合，可形成具有单光子灵敏度的三维成像探测器。此外，MCP具有可在强磁场下工作、暗噪声非常小等优点。

动态范围(DR)是单光子探测器的一项重要指标，标志着该探测器所能处理的光强范围，动态范围的单位用分贝(dB)表示。限制动态范围的因素之一就是像元内部的积分电容大小(即阱容量)，电容越大可探测的光强就越大。

在单光子探测过程中，为满足光子发射源超高亮度和超宽能谱的特点，读出电路必须具有很高的动态范围，但是如果仅仅增大积分电容，会导致单位像元面积也随之增加。所以，在前端读出电路的设计过程中，要考虑性能与面积的折中，既要减小面积，降低功耗，又要提高动态范围。

近年来，快中子照相技术领域的研究引起了学术界广泛的关注，国际上也在不断提出新型材料、高性能的MCP单光子探测器的科研成果，但是在MCP探测器读出电路方面的研究涉足较少，专为MCP探测器信号读取而设计的高性能ASIC 芯片的研究基本处于空白。此外，传统的MCP探测器前端读出电路设计中，并没有针对动态范围这一性能参数做出优化处理，导致整个单光子探测系统的输入信号范围非常小，应用领域比较局限。

为了充分发挥MCP拥有单光子探测能力的优点，将其应用在快中子照相系统中，采用传统的读出电路结构已无法保证在高计数率条件下同时获得高精度空间分辨能力和高精度时间分辨能力，当MCP输出的电荷数目过多，传统的基于电荷放大器的电路架构会引起信号饱和，无法准确计算电荷数目。目前，现有的读出信号处理方案在提高系统性能如动态范围和分辨率等方面的效果并不理想，而业内并没有提出一种既能提高动态范围又能降低芯片面积的理想方案。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种高动态范围MCP探测器前端读出电路及其读出方法，采用多次电荷转移逻辑(类似于基于电荷再分布的异步逻辑逐次逼近型模数转换器)，可提供超宽的输入信号动态范围。

本发明通过如下技术方案实现：