CN111277251B - 自触发供电控制的低功耗前端读出电路 - Google Patents

自触发供电控制的低功耗前端读出电路 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种自触发供电控制的低功耗前端读出电路，适用于便携式电子个人剂量仪。通过增加比较器和自触发供电控制模块，监测辐射事件产生的触发事件，通过设置不同工作模式，实现部分模块的自动供电管理，从而有效地减少了前端读出电路在未检测到有效输入信号时产生的静态功耗，延长电子个人剂量仪的工作时间。本发明也可以用于其他应用的前端读出电路设计。

Description

自触发供电控制的低功耗前端读出电路
技术领域
本发明属辐射探测前端读出领域，具体涉及一种自触发供电控制的低功耗前端读出电路，适用于电子个人剂量仪中辐射探测器前端读出专用集成电路，也适用于其他核辐射探测应用。
背景技术
X和γ射线辐射探测用电子个人剂量仪的电子***主要由前端电子***和液晶显示屏(LCD)组成，如图1所示。其中，前端电子***主要由电池、低压降线性稳压器(LDO)、辐射探测器、前端读出专用集成电路(ASIC)、微控制器(MCU)组成。前端读出ASIC是前端电子***的核心电子元器件，其功能是对辐射探测器产生的微弱电流信号进行读出和处理，对于提升个人剂量仪的整体性能非常重要。电子个人剂量仪的工作原理是：首先，环境中的X或γ射线入射到探测器后，与探测器材料相互作用产生电子空穴对，在电场的作用下定向移动形成微弱的电流脉冲信号，该电信号经由前端读出ASIC读出、放大、整形滤波和数字化，输出的数字信号被微处理器MCU采集和分析处理，得出辐射射线能量损失大小和事件计数率等有用信息，然后通过专门算法转换成辐射剂量，将信息显示在液晶显示屏上。
个人剂量仪作为一种便携式设备，要求采用电池供电可持续工作100小时以上，要求整个***的功耗尽可能地低。在个人剂量仪电子***中，前端读出电路ASIC的功耗占主要贡献。文献“Y.Duan，Y.Yao，Z.Li，J.Zhou，P.Huang，and W.Gao，″SENSROC12：a Four-Channel Binary-Output Front-End Readout ASIC for Si-PIN-based PersonalDosimeters，″IEEE Transactions on Nuclear Science，Vol.66，no.4，pp.1976-1983.2019.”中记载了传统的前端读出ASIC结构，如图2所示，由前置放大器、成形器、鉴别器和内部带隙基准电路组成，前置放大器用于对探测器输出的信号进行放大，成型器用于对前置放大器的输出信号进行滤波和成形，鉴别器用于生成触发信号，内部带隙基准电路为读出通路的各个模块提供直流工作点以保证电路正常工作。正常工作时，读出通路的静态功耗可由Pchannel＝VDDA·Ichannel给出，其中，Ichannel为单读出通路的总静态电流，按照Ichannel＝ICSA+IShaper+IDISCR计算得到，ICSA、IShaper和IDISCR分别为前置放大器、成形器和鉴别器电路模块的静态电流，VDDA为模拟电源电压。文献中的前端读出ASIC在实际应用中由MCU进行动态电源管理，在睡眠模式下掉电，不产生功耗。但是，当个人剂量仪正常工作时，MCU控制信号打开电源电压开关，给前端读出ASIC供电。由于辐射源发射的X或γ射线是离散的，两个事件的时间间隔是随机的，在这个时间间隔中前端读出ASIC处于待机状态，会产生不必要的静态功耗，致使电池供电的个人剂量仪待机时间减小。因此，需要一种新的低功耗技术来解决上述的问题。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种自触发供电控制的低功耗前端读出电路，适用于便携式电子个人剂量仪。通过增加比较器和自触发供电控制模块，监测辐射事件产生的触发事件，通过设置不同工作模式，实现部分模块的自动供电管理，从而有效地减少了前端读出电路在未检测到有效输入信号时产生的静态功耗，延长电子个人剂量仪的工作时间。本发明也可以用于其他应用的前端读出电路设计。
一种自触发供电控制的低功耗前端读出电路，包括前置放大器、成形器、鉴别器和内部带隙基准电路，前置放大器用于对探测器输出的信号进行放大，成型器用于对前置放大器的输出信号进行滤波和成形，鉴别器用于生成触发信号，内部带隙基准电路为读出电路的各个模块提供直流工作点，其特征在于：所述的读出电路还包括比较器和自触发供电控制模块，所述的比较器将前置放大器的输出信号与触发阈值电压进行比较，并输出结果信号到自触发供电控制模块，所述的自触发供电控制模块检测并依据比较器输出信号和鉴别器输出信号控制开关S1、S2和S3的打开和闭合，实现读出电路工作模式的转换，其中，开关S1控制成形器的连通或断开，开关S2控制鉴别器的连通或断开，开关S3控制比较器的连通或关断。
如前所述的前端读出电路包括检测模式和正常工作模式两种工作模式，检测模式下，自触发供电控制模块控制开关S3闭合，开关S1和S2打开；正常工作模式下，自触发供电控制模块开关S3打开，开关S1和S2闭合。
如前所述的前端读出电路的工作过程为：上电初始化后，自触发供电控制模块的输出信号一Dmode为1，使开关S3闭合，输出信号二Nmode为0，使开关S1、S2处于打开状态，读出电路处于检测模式；
当前置放大器CSA的输出信号小于触发阈值电压VTH时，比较器的输出信号Trig_D为低电平，此时成形器和鉴别器关断，只有前置放大器CSA、比较器和自触发供电控制模块工作，读出电路继续工作在检测模式下；
当前置放大器CSA的输出信号大于触发阈值电压VTH时，比较器的输出信号Trig_D为高电平，自触发供电控制模块检测到Trig_D的上升沿后，将输出信号二Nmode置为1，使开关S1和S2闭合，输出信号一Dmode置为0，使开关S3打开，此时比较器不工作，其他所有模块正常工作，读出电路进入正常工作模式；
在正常工作模式下，自触发供电控制模块同时检测鉴别器输出信号Trig_N，当检测到信号Trig_N产生下降沿后，延时N个时钟周期，在这期间检测信号Trig_N下一个波形是否产生上升沿，若信号Trig_N仍为低电平，自触发供电控制模块将输出信号二Nmode置为0，使开关S1和S2打开，输出信号一Dmode置为1，使开关S3闭合，读出电路进入检测模式，否则，读出电路继续处于正常工作模式。
本发明的有益效果是：由于带有自触发供电控制模块，能够实现部分模拟电路的自动供电管理，进一步降低前端读出电路ASIC的总功耗，从而保证个人剂量仪在无辐射事件的时间间隔中以超低功耗工作，延长工作时间。
附图说明
图1是电子个人剂量仪的前端电子***框图；
图2是一种传统的用于电子个人剂量仪的前端读出ASIC结构；
图中，Vref-鉴别器输入端的阈值比较电压；
图3是本发明的自触发供电控制的低功耗前端读出ASIC结构；
图中，VDD-数字电路的电源电压，CLK-自触发供电控制模块的时钟信号；
图4是自触发供电控制模块的时序图；
图5是内部基准电路和读出电路的偏置模块的具体实施拓扑结构；
图中，AMP-内部基准产生电路中的放大器，R-内部基准产生电路中的电阻；
图6是前端读出通路的电路拓扑结构；
图中，Rf-前置放大器电路的反馈电阻，R1-成形器中微分电路的电阻，R2-成形器中积分电路中的电阻，Cf-前置放大器电路的反馈电容，C1-成形器中微分电路中的电容，C2-成形器中积分电路中的电容；
图7是前置放大器和成形器的核心放大器拓扑结构；
图中，GNDA-输入管M0的源极电压以及折叠M1的栅极电压，M0-M5-前置放大器和成形器的核心放大器电路拓扑结构中的MOS晶体管；
图8是鉴别器电路的拓扑结构；
图中，VINP-鉴别器正向输入端，VINN-鉴别器的负向输入端，VSSA-模拟电源电压，VBP-第一级尾电流管的偏置电压，VBN1-第一级电流镜的偏置电压，VBN2-第二级尾电流管的偏置电压，M0-M6-鉴别器第一级电路拓扑结构中的MOS晶体管，M7-M15-鉴别器第二级电路拓扑结构中的MOS晶体管，Md1-Md4-鉴别器第三级电路拓扑结构中的MOS晶体管；
图9是自偏置比较器的电路拓扑结构；
图中，VINP-自偏置放大器的正向输入端，VINN-自偏置放大器的负向输入端，M30-M32-自偏置比较器电路拓扑中的MOS晶体管；
图10是本发明的自触发供电控制模块的状态机；
图中，REST-复位信号，IDLE-状态机的初始状态，Detecting Mode-检测模式，Normal Mode-正常工作模式；
图11是本发明的自触发供电控制模块的Verilog代码实现流程图；
图12是本发明的低功耗前端读出ASIC的读出通道功耗仿真图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。
如图3所示，本发明的自触发供电控制的低功耗前端读出电路在图2所示的传统前端读出电路基础上加入了比较器和自触发供电控制模块。比较器将前置放大器的输出信号与触发阈值电压进行比较，并输出结果信号到自触发供电控制模块，自触发供电控制模块检测比较器和鉴别器的输出信号，并依据检测到的信号输出控制信号，分别控制开关S1、S2和S3的导通和关断，进行工作模式的转换，实现前端读出电路中部分模块的动态电源管理。本发明的前端读出电路包括两个工作模式：检测模式、正常工作模式。检测模式下，开关S3闭合，而开关S1和S2打开；正常工作模式下，开关S3打开，而开关S1和S2闭合。自触发供电控制模块的输出信号一Dmode控制开关S3的打开和闭合，而输出信号二Nmode控制开关S1和S2的打开和闭合。
(1)检测模式
上电初始化后，自触发供电控制模块的输出信号一Dmode为1，使开关S3闭合，而输出信号二Nmode为0，使开关S1、S2处在打开状态，此时读出电路处在检测模式下。当前置放大器CSA的输出信号小于触发阈值电压VTH时，比较器输出端不产生有效的输出信号，Trig_D为低电平，继续工作在检测模式下。此时成形器和鉴别器关断，只有前置放大器CSA、比较器以及自触发供电控制模块工作，在检测模式下前端读出电路的静态功耗可用以下公式表示：
P′total＝P′channel+P′control (1)
P′channel＝VDDA·I′channel (2)
I′channel＝ICSA+ICMP (3)
其中，I′channel为检测模式下读出电路的总静态电流，P′channel为检测模式下读出电路的静态功耗，P′control为自触发供电控制模块的总功耗，P′total为检测模式下的总功耗。
相比于图2所示的电路结构，以上公式可知，在检测模式下，本发明的前端读出ASIC的静态功耗会降低。
(2)正常工作模式
当前置放大器CSA输出值大于阈值电压VTH时，比较器输出有效的信号Trig_D，在自触发供电控制模块检测到Trig_D的上升沿后，自触发供电控制电路的输出信号二Nmode变为1，使开关S1和S2闭合，而输出信号一Dmode为0，使开关S3打开。此时比较器不工作，其他所有模块正常工作，前端读出ASIC进入正常工作模式。在正常工作模式下，前端读出电路的总功耗P″total可表示为：
P″total＝Pchannel+P′control (4)
在正常工作模式下，自触发供电控制电路同时监视鉴别器输出信号Trig_N。在鉴别器输出信号Trig_N产生下降沿后，延时N个时钟周期，以保证鉴别器输出信号稳定，同时在N个时钟周期内检测下一个Trig_N波形的上升沿，若无有效的Trig_N信号，Trig_N为低电平，自触发供电控制电路将输出信号二Nmode置为0，使开关S1和S2打开，输出信号一Dmode为1，使开关S3闭合，读出电路进入检测模式。否则，读出电路继续工作在正常模式。
自触发供电控制模块的整体时序如图4所示。当比较器输出信号Trig_D从0到1发生跳变时，在下一个时钟的上升沿，控制开关S3的Dmode信号变为0，控制开关S1和S2的Nmode信号变为1，读出电路进入正常工作模式。当鉴别器输出信号Trig_N下降沿到来后，延时N个时钟周期，当在这N个时钟周期内鉴别器输出端不产生有效的输出信号，即其输出信号Trig_N为低电平，Flag标志信号从0变为1，并在下一个时钟上升沿，Dmode信号变为1，Nmode信号变为0，Flag标志信号从1变为0，读出电路进入检测模式。当再次检测到比较器输出信号Trig_D有上升沿跳变时，读出电路进入正常工作模式。读出电路上电初始化后，Dmode信号变为1，Nmode信号变为0，Flag信号为0。
内部基准电路和读出电路的偏置模块的具体实现如图5所示，内部带隙基准电路可以使用传统的双极型晶体管带隙结构实现。内部带隙基准电路生成基准电流Ivref后，该基准电流通过读出电路各模块的偏置电路产生供读出电路模块正常工作的偏置电压Vp_bias和Vn_bias。其中读出电路各模块的偏置电路与读出电路各模块共同组成读出电路。
读出电路的整体具体实现方式如图6所示，前置放大器和成形器的核心放大器OTA1和OTA2使用图7所示的折叠共源共栅结构，可以实现低功耗和大的增益带宽积。鉴别器使用图8所示的具有迟滞功能的三级高分辨率比较器实现，可以对噪声起到抑制作用。比较器采用图9所示的自偏置结构的比较器实现，可以保证低功耗，同时版图占用面积小。前置放大器的输入管M0的宽长比根据个人剂量仪的探测器电容来确定最优值，而成形器中的电阻、电容的值根据成形时间来确定。
结合图4的时序图可得自触发供电控制模块的状态机如图10所示。
当***上电复位时，进入IDLE状态，然后进入Detecting Mode(检测模式)状态，当检测到有效的Trig_D信号时，进入Normal Mode(正常工作模式)状态，当在N个时钟周期内未检测到Trig_N信号时，再次进入Detcting Mode状态,若出现未知状态则进入IDLE状态。
结合图4的时序图和图10的状态机进行Verilog实现，再使用RC综合生成门级网表，最后使用ENCOUNTER可生成具体的版图。自触发供电控制模块的Verilog代码实现流程图如图11所示。
本发明的自触发供电控制的低功耗前端读出电路ASIC的单通道功耗仿真结果如图12所示。当没有有效触发信号产生时，本发明的前端读出电路在检测模式下的静态功耗为1.73mW；当产生有效触发信号时，前端读出电路在正常工作模式的静态功耗为3.18mW。两种工作模式下，当时钟频率为2MHz时，由自触发供电控制模块引入的总功耗为0.2mW。在0～12ms的辐射事件过程中，经过SPICE仿真，本发明消耗的能量为7.6×10-9nJ。而文献“Y.Duan,Y.Yao,Z.Li,J.Zhou,P.Huang,and W.Gao,"SENSROC12:a Four-Channel Binary-Output Front-End Readout ASIC for Si-PIN-based Personal Dosimeters,"IEEETransactions on Nuclear Science,Vol.66,no.4,pp.1976-1983.2019.”中的前端读出电路总功耗为3.18mW，在仿真的辐射事件中消耗的能量为10.5×10-9nJ。也就是说，本发明在仿真条件下设置的辐射事件中消耗的能量降低了27.6％。

Claims (1)

1.一种自触发供电控制的低功耗前端读出电路，包括前置放大器、成形器、鉴别器和内部带隙基准电路，前置放大器用于对探测器输出的信号进行放大，成型器用于对前置放大器的输出信号进行滤波和成形，鉴别器用于生成触发信号，内部带隙基准电路为读出电路的各个模块提供直流工作点，其特征在于：所述的读出电路还包括比较器和自触发供电控制模块，所述的比较器将前置放大器的输出信号与触发阈值电压进行比较，并输出结果信号到自触发供电控制模块，所述的自触发供电控制模块检测并依据比较器输出信号和鉴别器输出信号控制开关S1、S2和S3的打开和闭合，实现读出电路工作模式的转换，其中，开关S1控制成形器的连通或断开，开关S2控制鉴别器的连通或断开，开关S3控制比较器的连通或关断；
所述的读出电路包括检测模式和正常工作模式两种工作模式，检测模式下，自触发供电控制模块控制开关S3闭合，开关S1和S2打开；正常工作模式下，自触发供电控制模块开关S3打开，开关S1和S2闭合；
所述的读出电路的工作过程为：上电初始化后，自触发供电控制模块的输出信号一Dmode为1，使开关S3闭合，输出信号二Nmode为0，使开关S1、S2处于打开状态，读出电路处于检测模式；
当前置放大器CSA的输出信号小于触发阈值电压VTH时，比较器的输出信号Trig_D为低电平，此时成形器和鉴别器关断，只有前置放大器CSA、比较器和自触发供电控制模块工作，读出电路继续工作在检测模式下；
当前置放大器CSA的输出信号大于触发阈值电压VTH时，比较器的输出信号Trig_D为高电平，自触发供电控制模块检测到Trig_D的上升沿后，将输出信号二Nmode置为1，使开关S1和S2闭合，输出信号一Dmode置为0，使开关S3打开，此时比较器不工作，其他所有模块正常工作，读出电路进入正常工作模式；
在正常工作模式下，自触发供电控制模块同时检测鉴别器输出信号Trig_N，当检测到信号Trig_N产生下降沿后，延时N个时钟周期，在这期间检测信号Trig_N下一个波形是否产生上升沿，若信号Trig_N仍为低电平，自触发供电控制模块将输出信号二Nmode置为0，使开关S1和S2打开，输出信号一Dmode置为1，使开关S3闭合，读出电路进入检测模式，否则，读出电路继续处于正常工作模式。
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Advances in front-end readout ASIC design for PET imaging;Wu Gao;《2012 IEEE 11th International Conference on Solid-State and Integrated Circuit Technology》;20130221;1-4 *
Peak hold monolithic integrated circuit with built-in shaping amplifier for hard X-ray detector;K. Tsukada;《IEEE Transactions on Nuclear Science》;19930831;724-728 *
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