X—射线探测器前端读出电路的设计与分析

发布时间：2020-05-10 19:38

【摘要】：X射线是一种不可见光,具有强穿透性,因此被广泛应用于医学成像、工业检测、安检等领域。随着应用领域不断扩大,应用环境越来越复杂,对于成像质量的要求也越来越高。本文结合实际要求,对应用于X射线图像探测器的前端读出电路进行研究和设计。本文介绍了X射线探测器前端读出电路的发展趋势。随着待测粒子能量范围越来越大,前端读出电路的动态检测范围也在增大,工作速度在增快,但对低能量粒子检测的灵敏度低,输出信号在线性度、功耗和噪声等方面存在不足。为解决该问题,在检测范围大的情况下提高低能量粒子检测的灵敏度,并具有高帧频、高线性度、低功耗和低噪声,本文通过参考国外研究,研究并设计了自适应变化灵敏度的X射线探测器前端读出电路的框架结构。在框架结构中,电容跨阻放大器(Capacitance Trans Impendence Amplifier,CTIA)可实现输出信号的高线性度,相关双采样电路(Correlated Double Sampling,CDS)可用于消除噪声、提高输出信号的信噪比,积分电容控制模块用于实现灵敏度自适应可调。本文基于0.13um CMOS工艺,对前端读出电路进行了电路设计和版图设计,给出了相关设计参数和仿真结果。芯片进行实际流片后,测试结果表明,本文设计的前端读出电路像素阵列为32×16,可以实现自适应可变灵敏度的积分功能。在3.3V电源供电下,工作帧频可达到10KHz,线性度达到99.95%,总功耗为85.4uW,输出摆幅至少达到1.5V,等效噪声电荷约为62.5e-,单个像素尺寸为150um×150um。
【图文】：

第 1 章 绪论CCD/CMOS 敏感元件阵列、数据采集与处理单元、图像重建单元、计算机控制单元、图像显示与分析单元[8]。计算机层析成像技术借助计算机断层扫描原理，与成像光谱技术结合，根据物体在一个方向上的一个投影或者多个方向的投影，建立物体的空间图像信息。其检测原理为：光转换屏将 X 射线光子转换为可见光图像，通过 CCD 或CMOS 转换为图像电信号。图像电信号是模拟信号，数据采集和处理单元将这些信号进行 A/D 转换，把处理后得到的数字信号传送至计算机，由计算机重建图像并显示。计算机层析成像技术在探测快速变化目标上有明显优势，其广泛应用于医学、军事等方面，其发展前景受到越来越多的重视。

第 1 章 绪论噪比，降低输出图像的质量。因此为适应大范围光子的检测要求，前端读出电路对信噪比的要求会不断提高。灵敏度更高。由于被检测 X 射线粒子能量范围的增大，在增加其检测范围的同时，当检测粒子能量较低时很难保证其灵敏度和准确性，因此要求前端读出电路保证较高的灵敏度。功耗更低。随着像素阵列的不断扩大，整个探测器前端读出电路所消耗的功耗会不断增加，，而未来市场对产品的要求势必会朝着低功耗的方向发展，因此，研制低功耗 X 射线探测器的前端读出电路是科研的重点之一。1.4 本文的研究内容和设计指标X 射线探测器的像素阵列如图 1.5 所示：
【学位授予单位】：江苏科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TL816.1

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本文编号：2657794