[发明专利]一种用于探测光子数量和飞行时间的专用电路设计

说明书

本发明公开一种用于探测光子数量和飞行时间的专用电路设计，其电路设计具体为一种高时空分辨率的MCP探测器前端读出电路，包括信号输入模块、高速比较器模块、时间数字转换器和逻辑电路模块，本发明基于微通道板没有暗电流的优点，输入端口可以不用过滤噪声，简化了设计；输入端采用跨阻放大器的设计，可以提高带宽，电路有较短的建立时间；电路集成度高，无需后端复杂的数字信号处理，即可获得高时空分辨率的数据，与传统放大器加上模数转换器架构相比，整体芯片占用面积小，像元填充比高。

技术领域

本发明属于半导体图像感测相关技术领域，具体涉及一种用于探测光子数量和飞行时间的专用电路设计。

背景技术

微通道板可以被用于检测电子、离子、高能粒子、中子、紫外线、X射线等各种粒子和能量较高的电磁波。

MCP是由大量中空的毛细管（微通道）二维排列而成的片状结构。微通道的内壁经过处理，使得粒子轰击时能够产生二次电子。使用中MCP两端被加上电压，在微通道内部形成电场，粒子轰击产生的二次电子会被电场加速，再次轰击微通道内部产生更多的二次电子。这个过程在同一微通道中重复多次，最终在出口端输出大量的电子（称为倍增电子）。

传统意义上的像素读出芯片或像素探测系统，主要基于电荷积分的方式完成对信号的探测。例如CCD、CMOS相机等等，通过同感光二极管相连的电容对电荷进行积分，将积分之后的幅度通过逐行扫描方式进行读出。这种探测模式只能对一段时间内的信号进行积分探测，无法分辨单个事例。此外，这种方法也无法有效分辨信号和噪声，信噪比不高。

迄今为止，能对最微弱的光信号进行探测的面阵光电转换器件唯有单光子探测器，它已广泛应用于物理、化学、生物、天文、医学、环境监测等各个领域。近年来，上述相关领域的仪器设备对单光子探测器提出了更高的要求，除了具备单光子灵敏度之外，还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。

由于微通道板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、非常小的暗噪声等优点。因此，使用 MCP 的单光子成像探测器在下面典型的军民两用领域得到广泛的应用。

现有的技术存在以下问题：探测器应具有 高空间分辨率、高时间分辨率、高计数率、高集成度的特点，然而现有的 MCP单光子探测器 受限于信号读出电路架构和实现方式，均无法同时满足以上要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于探测光子数量和飞行时间的专用电路设计，以解决上述背景技术中提出的探测器应具有 高空间分辨率、高时间分辨率、高计数率、高集成度的特点，然而现有的 MCP单光子探测器 受限于信号读出电路架构和实现方式，均无法同时满足以上要求问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种用于探测光子数量和飞行时间的专用电路设计，包括信号输入模块、高速比较器模块、时间数字转换器和逻辑电路模块，

其电路设计具体为一种高时空分辨率的MCP探测器前端读出电路，包括信号输入模块、高速比较器模块、时间数字转换器和逻辑电路模块，来自探测器调到光电流信号，经过信号输入模块进入前端电路，然后通过比较器模块，比较器将模拟信号转变成数字信号，然后通过时间数字转换器来计算飞行时间，和输入的电荷量；

所述信号输入模块是由跨阻放大器构成，是三级放大器，采用共源结构，开环放大器由三个具有推挽输出结构的反相放大器级联构成；

所述高速比较器模块采用预放大级和判决级、缓冲器构成。运放结构的比较器通常由多级运放级联组成，后面接反相器驱动数字电路，它具有精度高，失调电压小等优点；