一种适用于辐射检测前端读出电路的时间甄别器
阅读说明：本技术 一种适用于辐射检测前端读出电路的时间甄别器 (Time discriminator suitable for radiation detection front-end reading circuit ) 是由 王巍 张定冬 赵汝法 熊德宇 刘博文 张珊 袁军 于 2020-11-26 设计创作，主要内容包括：本发明请求保护一种适用于辐射检测前端读出电路的时间甄别器,属于微电子技术领域,包括时间甄别电路和脉冲产生电路。其中,时间甄别电路的输入信号来自于辐射检测前端读出电路的输出信号,脉冲产生电路的输入端与时间甄别电路的输出端相连,脉冲产生器的输出端为输出的时间标记信号。本发明包括时间甄别电路和脉冲产生电路,所述时间甄别器用于判断前端读出电路的输出信号是否超过设定的阈值,且阈值可以通过外部数字信号控制,脉冲产生电路用于将时间甄电路产生的突变信号转变为一个脉冲信号,且脉冲宽度可调,从而实现了对辐射检测读出电路信号的精确标记。(The invention discloses a time discriminator applicable to a radiation detection front-end reading circuit, belonging to the technical field of microelectronics. The input signal of the time discrimination circuit is from the output signal of the radiation detection front-end reading circuit, the input end of the pulse generation circuit is connected with the output end of the time discrimination circuit, and the output end of the pulse generator is the output time marking signal. The device comprises a time discriminator circuit and a pulse generating circuit, wherein the time discriminator circuit is used for judging whether an output signal of a front-end reading circuit exceeds a set threshold value, the threshold value can be controlled by an external digital signal, the pulse generating circuit is used for converting a mutation signal generated by the time discriminator circuit into a pulse signal, and the pulse width is adjustable, so that the accurate marking of a radiation detection reading circuit signal is realized.)
技术领域
本发明属于微电子技术领域，具体涉及一种时间甄别器，特别涉及一种适用于辐射检测前端读出电路的时间甄别器。
背景技术
辐射检测系统在空间探测，医学成像，质检安检，国土安全等领域有着广泛的运用。辐射探测系统主要包括前端读出电路，包括放大器、整形滤波器等，整形器的输出为一准高斯波形。在一些对速度，时间精度，功耗有较高要求的应用场景中，时间甄别器对最终的检测精度有很大的影响。
传统读出电路和时间甄别器如图1所示，探测器检测到辐射后经过放大器与整形滤波器的前端电路处理之后输出一个准高斯波形。再将高斯波形输入到时间鉴别器中，与参考信号VREF进行比较，随后输出一个上升沿或下降沿信号供后面数字电路处理。传统时间甄别器存在如下一些缺点，其参考电压有一个独立的DAC(数字—模拟转换器)产生，电路庞大，功耗高。其二是传统比较器通常由开环运算放大器构成，没有迟滞效果，可能导致在阈值过低时存在误判，产生错误信号。
发明内容
本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种适用于辐射检测前端读出电路的时间甄别器。本发明的技术方案如下：
一种适用于辐射检测前端读出电路的时间甄别器，其包括：时间甄别电路、脉冲产生电路；所述时间甄别电路的输入端口与前端读出电路的输出端连接，时间甄别电路的输出端口连接脉冲产生电路的输入端，脉冲产生电路输出端直接输出信号，时间甄别电路用于判别辐射检测前端读出电路输出信号是否超过设定阈值，所述的时间甄别电路是NM1、NM2、NM3和PM1、PM2、PM3实现输入电压与阈值的比较，通过控制NM4、NM6、NM8、NM10的导通来改变此NMOS管的等效尺寸，达到阈值可调的功能，脉冲产生电路在收到时间甄别电路的判别结果后输出可用于数字处理的脉冲信号，通过PM11、NM11、PM12、NM12、PM13、NM13组成三个缓冲器，提高输入信号DIN的驱动能力，并将超过VTHH的下降沿信号转换为上升沿信号，PM16、NM16、PM17、NM17、PM18、NM18构成三个延时单元，将缓冲器产生的下降沿延时,延时间为T，再将上升沿转换为下降沿，PM14、PM15、NM14、NM15构成一个与非门，从而将输入信号TIN的一个下降沿转换为一个负脉冲信号TOUT，达到脉冲输出的功能。
进一步的，所述时间甄别电路包括十个PMOS管，分别为PM1、PM2、PM3、PM4、PM5、PM6、PM7、PM8、PM9、PM10，十个NMOS管分别为NM1、NM2、NM3、NM4、NM5、NM6、NM7、NM8、NM9、NM10，所述PM1的源极、PM5的源极、PM7的源极、PM9的源极、PM3的漏极与电源VDD相连；所述NM1的源极、NM5的源极、NM7的源极、NM9的源极、NM3的漏极与地线GND相连；PM1的漏极与PM4的源极相连，PM5的漏极与PM6的源极相连，PM7的漏极与PM8的源极相连，PM9的漏极与PM10的源极相连；NM1的漏极与NM4的源极相连，NM5的漏极与NM6的源极相连，NM7的漏极与NM8的源极相连，NM9的漏极与NM10的源极相连；PM4、PM6、PM8、PM10的漏极与PM3的源极相连；NM4、NM6、NM8、NM10的漏极与NM3的源极相连；PM1、PM2、PM5、PM7、PM9的栅极与NM1、NM2、NM5、NM7、NM9的栅极连接在一起做为时间甄别电路的输入端DIN；PM2、NM2的漏极，PM3、NM3的栅极接在一起作为时间甄别电路的输出端DOUT；所述PM4、PM6、PM8、PM10的栅极分别连接外部控制信号VSPL1、VSPL2、VSPL3、VSPL4；所述NM4、NM6、NM8、NM10的栅极分别连接外部控制信号VSPH1、VSPH2、VSPH3、VSPH4。
进一步的，时间甄别电路中的VSPL1、VSPL2、VSPL3、VSPL4控制PM4、PM6、PM8、PM10的导通与否，而PM4、PM6、PM8、PM10作为MOS开关控制PM1、PM5、PM7、PM9是否接入电路，以改变PMOS管的等效宽长比，而改变甄别器的阈值VTHL，其中VTHL为输入信号DIN由低到高时甄别器的阈值。VSPH1、VSPH2、VSPH3、VSPH4控制NM4、NM6、NM8、NM10的导通与否，而NM4、NM6、NM8、NM10作为MOS开关控制NM1、NM5、NM7、NM9是否接入电路，以改变NMOS管的等效宽长比，而改变甄别器的阈值VTHH，其中VTHH为输入信号DIN由高到低变化时甄别器的阈值。外部数字信号VSPH和VSPL控制VTHH和VTHL的大小，实现阈值的可调节，当输入信号DIN大于VTHH时，时间甄别电路的输出为低电平0，当输入信号DIN小于VTHL时，时间甄别电路的输出为高电平1，实现迟滞效果。
进一步的，所述时间甄别电路中的VTHH、VTHL可以通过调节MOS管的等效宽长比来实现调节，当VSPH1＝1、VSPH2＝0、VSPH3＝0、VSPH4＝0时，根据得到 式中μn为电子迁移率，COX栅电容，W为对应MOS管的宽度，L为对应MOS管的长度，VTHH为输入从低到高跳变时的阈值电压，VTHN为对应NMOS管的阈值电压，通过合理选择NM1，NM3的尺寸，可以设定想要的VSPH阈值，所述的时间甄别电路是通过控制NM4、NM6、NM8、NM10的导通来改变此NMOS管的等效尺寸，等效尺寸为NM1、NM5、NM7、NM9中导通NMOS的宽长比之和，同理，VTHL也可以通过PM1与PM3的宽长比来调节，之间的关系为其中VTHP为PMOS管的阈值电压，所述时间甄别电路是通过控制PM4、PM6、PM8、PM10的导通来改变此PMOS管DP的等效尺寸，等效尺寸为PM1、PM5、PM7、PM9中导通PMOS的宽长比之和。进而可以通过数字信号控制所述的时间甄别电路中的VTHH和VTHL，方便运用于各种场合。
进一步的，所述脉冲产生电路包括八个PMOS，分别为：PM11、PM12、PM13、PM14、PM15、PM16、PM17、PM18；八个NMOS，分别为：NM11、NM12、NM13、NM14、NM15、NM16、NM17、NM18；PM11、PM12、PM13、PM14、PM15、PM16、PM17、PM18的源极与电源VDD相连；NM11、NM12、NM13、NM14、NM15、NM16、NM17、NM18的源极全部与地线GND相连；PM11、NM11的漏极与PM12、NM12的栅极相连；PM12、NM12的漏极与PM13、NM13的栅极相连；PM13、NM13的漏极与PM14、NM15、PM16、NM16的栅极相连；PM16、NM16的漏极与PM17、NM17的栅极相连；PM17、NM17的漏极与PM18、NM18的栅极相连；PM18、NM18的漏极与PM15、NM14的栅极相连作为脉冲产生电路的输出TOUT；PM15、PM14的漏极与NM14的源极相连；PM11与NM11的栅极相连作为脉冲产生电路的输入。
进一步的，所述脉冲产生电路中的PM11、NM11、PM12、NM12、PM13、NM13组成三个缓冲器，提高输入信号DIN的驱动能力，并将超过VTHH的下降沿信号转换为上升沿信号，PM16、NM16、PM17、NM17、PM18、NM18构成三个延时单元，将缓冲器产生的下降沿延时,延时间为T，再将上升沿转换为下降沿，PM14、PM15、NM14、NM15构成一个与非门，从而将输入信号TIN的一个下降沿转换为一个负脉冲信号TOUT，此负脉冲信号的脉冲宽度为T，以便后端数字电路处理。
本发明的优点及有益效果如下：
1、本发明包括的时间甄别器用于判别辐射探测前端读出电路输出的信号，并在超过所设定的阈值后迅速产生下降沿或者上升沿信号。整个时间甄别器结构简单，功耗与传统电路相比明显减小，在不需要其他数模转换电路的情况下，同样可以通过外部的数字信号控制阈值，实现阈值可调的功能。并可以通过调节VTHH和VTHL关系实现迟滞效果，保证在低阈值的情况下产生的边沿信号不会被噪声干扰，稳定可靠。
2、本发明在时间甄别电路的输出端创新的添加了脉冲产生电路，可以检测到时间甄别电路输出的下降沿或者上升沿信号，并产生一个后端数字电路可用的脉冲信号。用延时单元和与非门的组合，实现了对下降沿的准确判断。与传统不带脉冲产生电路的时间甄别器相比，带有脉冲产生电路的时间甄别器不用在数字处理阶段判别上升沿或者下降沿，降低了数字处理的难度。并可以通过时间延时单元中延时的级数或者构成延时单元MOS管的宽长比来控制此脉冲的宽度，拓宽了时间甄别器电路的应用范围，灵活可调。在辐射探测领域将有广泛的应用。
附图说明
图1是传统时间甄别器的原理框图。
图2为本发明时间甄别器的原理框图。
图3为本发明时间甄别电路具体电路图。
图4为本发明脉冲产生电路的具体电路图。
图5为本发明时间甄别电路的瞬态仿真结果图。
图6为本发明脉冲产生电路的瞬态仿真图。
图7为本发明整个时间甄别器与辐射探测前端读出电路联合的瞬态仿真图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。
本发明解决上述技术问题的技术方案是：
本申请实施例中通过创新的时间甄别电路，对探测器前端读出信号进行判别，并在过阈值时迅速产生时间标记信号，且该甄别器具有阈值可调，抗干扰，低功耗的特点。为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施例，对上述技术方案进行详细说明。
实施例
如图2所示，一种适用于辐射检测前端读出电路的时间甄别器，其包括：时间甄别电路和脉冲产生电路。所述时间甄别电路的输入连接辐射探测器前端的输出，时间甄别电路的输出与脉冲产生电路的输入相连，阈值调节端口连接时间甄别电路。
如图3所示，所述时间甄别电路包含十个PMOS管分别为PM1、PM2、PM3、PM4、PM5、PM6、PM7、PM8、PM9、PM10。十个NMOS管分别为NM1、NM2、NM3、NM4、NM5、NM6、NM7、NM8、NM9、NM10。所述PM1的源极、PM5的源极、PM7的源极、PM9的源极、PM3的漏极与电源VDD相连。所述NM1的源极、NM5的源极、NM7的源极、NM9的源极、NM3的漏极与地线GND相连。PM1的漏极与PM4的源极相连，PM5的漏极与PM6的源极相连，PM7的漏极与PM8的源极相连，PM9的漏极与PM10的源极相连。NM1的漏极与NM4的源极相连，NM5的漏极与NM6的源极相连，NM7的漏极与NM8的源极相连，NM9的漏极与NM10的源极相连。PM4、PM6、PM8、PM10的漏极与PM3的源极相连。NM4、NM6、NM8、NM10的漏极与NM3的源极相连。PM1、PM2、PM5、PM7、PM9的栅极与NM1、NM2、NM5、NM7、NM9的栅极连接在一起做为时间甄别电路的输入端DIN。PM2、NM2的漏极，PM3、NM3的栅极接在一起作为时间甄别电路的输出端DOUT。所述PM4、PM6、PM8、PM10的栅极分别连接外部控制信号VSPL1、VSPL2、VSPL3、VSPL4。所述NM4、NM6、NM8、NM10的栅极分别连接外部控制信号VSPH1、VSPH2、VSPH3、VSPH4。
如图3所示，整个时间甄别电路分为上下两部分，下面面部分主要由NMOS管和NMOS管组成的开关构成，作用在于确定甄别器的VTHH，其中NM4、NM6、NM8、NM10为NMOS开关，在外部VSPH信号为高电平1时有效，当VSPH为1时，所对应的MOS开关打开，随后对应支路的MOS管也接入电路，达到调节宽长比的目的。所以当四个VSPH信号取不同值时，可将阈值VTHH分为四档调节，且VSPH随温度计码排布，依次递增，所等效的宽长比也依次递增。当VSPH1＝1、VSPH2＝0、VSPH3＝0、VSPH4＝0时，根据得到 式中μn为电子迁移率，COX栅电容，W为对应MOS管的宽度，L为对应MOS管的长度，VTHH为输入从低到高跳变时的阈值电压，VTHN为对应NMOS管的阈值电压。通过合理选择NM1，NM3的尺寸，可以设定想要的VSPH阈值，所述的时间甄别电路是通过控制NM4、NM6、NM8、NM10的导通来改变此NMOS管的等效尺寸，等效尺寸为NM1、NM5、NM7、NM9中导通NMOS的宽长比之和。
同理，上面部分主要由PMOS管和PMOS管组成的开关构成，作用在于确定甄别器的VTHL。VTHL也可以通过PM1与PM3的宽长比来调节，之间的关系为其中VTHP为PMOS管的阈值电压。所述的时间甄别电路是通过控制PM4、PM6、PM8、PM10的导通来改变此PMOS管DP的等效尺寸，等效尺寸为PM1、PM5、PM7、PM9中导通PMOS的宽长比之和。
如图4所示，所述脉冲产生电路包含八个PMOS，分别为：PM11、PM12、PM13、PM14、PM15、PM16、PM17、PM18。八个NMOS，分别为：NM11、NM12、NM13、NM14、NM15、NM16、NM17、NM18。PM11、PM12、PM13、PM14、PM15、PM16、PM17、PM18的源极与电源VDD相连。NM11、NM12、NM13、NM14、NM15、NM16、NM17、NM18的源极全部与地线GND相连。PM11、NM11的漏极与PM12、NM12的栅极相连。PM12、NM12的漏极与PM13、NM13的栅极相连。PM13、NM13的漏极与PM14、NM15、PM16、NM16的栅极相连。PM16、NM16的漏极与PM17、NM17的栅极相连。PM17、NM17的漏极与PM18、NM18的栅极相连。PM18、NM18的漏极与PM15、NM14的栅极相连作为脉冲产生电路的输出TOUT。PM15、PM14的漏极与NM14的源极相连。PM11与NM11的栅极相连作为脉冲产生电路的输入TOUT。
如图4所示，脉冲产生电路主要由三部分组成，第一部分为缓冲电路，PM11、NM11、PM12、NM12、PM13、NM13组成三个缓冲器，提高输入信号DIN的驱动能力，并将超过VTHH的下降沿信号转换为上升沿信号，出现在A点。第二部分为延时单元，PM16、NM16、PM17、NM17、PM18、NM18构成三个延时单元，将缓冲器产生的下降沿延时,延迟时间为T，再将上升沿转换为下降沿，此信号出现在B点。第三部分为脉冲产生逻辑，PM14、PM15、NM14、NM15构成一个与非门，从而将输入信号TIN的一个下降沿转换为一个负脉冲信号TOUT，其脉冲宽度为T，以便后端数字电路处理。
仿真结果
如图5所示，给时间甄别电路输入一三角波信号DIN，将VSPL1、VSPL2、VSPL3、VSPL4设置为1、0、0、0。再将VSPH1、VSPH2、VSPH3、VSPH4分别设置为1、0、0、0；1、1、0、0；1，1，1、0；1、1、1、1，得到各自的瞬态仿真结果。从图中可以看出，VTHH＞VTHL，实现迟滞效果，达到抗干扰和噪声的目的。从图中还可以看出，通过调节图3中NM1、NM5、NM7、NM9的宽长比，可精确的控制阈值VTHH，此实施例分别设置为0.9V、1.1V、1.3V、1.5V，达到外部数字信号控制阈值的功能。
如图6所示，DIN为时间甄别电路输入信号，并将甄别电路的阈值VTHH设置为1V，有图可知当DIN超过1V时，甄别器产生一个下降沿信号DOUT，即TIN信号，随后脉冲产生电路迅速输出一个负脉冲信号TOUT，此实施例设置30n S宽度的负脉冲信号。
如图7所示，将此时间甄别器运用到辐射探测前端读出电路，并进行联合仿真，前端读出电路的输出信号为一准高斯波形，当信号幅度超过设置的阈值1V时，DOUT与TOUT能准确及时的产生相应信号。
从上述结果可以看出，本发明的时间甄别器完全满足辐射探测器前端读出电路的需求，电路精简，功耗低，且能用外部数字信号调节阈值并输出脉冲信号。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。
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