补偿电路及辐射探测系统技术方案

本发明专利技术公开了一种补偿电路及辐射探测系统，该补偿电路设置在辐射探测系统的第一级放大器输出端和第二级放大器输入端之间，该补偿电路包括：两个电阻和一个电容，第一电阻与电容并联，其连接点与第二电阻串联。本发明专利技术提供的补偿电路应用在辐射探测系统中，在不影响读出电路第一级环路增益稳定性的前提下，能够增大第二级环路的相位裕度，增加系统的稳定性，提高读出速率；且结构简单，成本低廉，易于实现。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及探测系统领域，特别涉及一种补偿电路及辐射探测系统。
技术介绍
辐射探测系统(radiation detector)是用于对核辐射和粒子的微观现象进行观 察和研究的传感器件，在高能物理、军事、工农业、医学、天文等领域有着重要的应用，其核 心部件包括粒子探测器和读出电路两部分。粒子探测器的作用是实现光电转换，读出电路 的作用是完成电荷脉冲信号的处理和读出。读出电路对辐射探测系统的性能有重要影响。 近年来，随着互补金属氧化物半导体(ComplementaryMetal Oxide Semiconductor，简称 CMOS)工艺的发展，大规模CMOS辐射探测器读出电路已经成为主流。如图1-4所示，图1是现有技术辐射探测系统结构示意图，图2是现有技术辐射探 测系统的读出电路的电路图，图3是现有技术脉冲成形器闭环反馈结构电路图；图4是现有 技术脉冲成形器中运算放大器的电路图；辐射探测系统包括粒子探测器1，前端放大器2、 脉冲成形器3、甄别器4和计数器5几部分，其中前端放大器2，脉冲成形器3，甄别器4和计 数器5组成辐射探测系统的读出电路。对于前端放大器，为减少因探测器电容不同对电荷脉冲信号放大增益产生的影 响，一般选用电容反馈积分器形式，构成电荷灵敏放大器(Charge Sensitive Amplifier, 简称CSA)。同时为避免放大器饱和，采用反馈电阻来对电荷进行泄放。这种采用电阻反馈 进行连续复位的放大器，其典型的输出波形为一很陡的上升沿，及缓慢衰减的下降沿(指 数变化)，衰减时间常数通常由反馈电阻和反馈电容来决定。脉冲阶跃幅度代表探测器得到 的粒子能量。电荷灵敏放大器输出信号的时域表达式为<formula>formula see original document page 3</formula><formula>formula see original document page 3</formula>其中，Q为输入电荷总量，由粒子在探测器介质中损失的能量决定。电路稳定所需r GBW Cf GBW CfC.条件为上升时间Μ= ^^^，二者之间存在折中。随着计数率的升高，脉冲间的累积效应更加显著。因此在对CSA输出信号进行甄 别处理之前，采用脉冲成形器对其进行滤波，限制带宽降低噪声，以得到更小的衰减时间。 也即采用两个基于运算放大器的反馈环路级联的结构。另外出于稳定性考虑CSA反馈电容 不能取的很小，因而输出信号幅度较小，需要对其进一步放大。从输入电荷到脉冲整形器输 出电压的传输函数为vn7 ReffSC7Rd<formula>formula see original document page 3</formula>由于辐射探测系统电路功耗非常低，小电流导致小的带宽，因此实际电路的传输 函数比上式含有更多的极点，从而导致稳定性问题，表现在输出脉冲波形上则会出现除传 输函数本身零点造成的下过冲以外的震荡过冲。这些幅度渐衰的过冲会限制粒子计数率， 并降低辐照能量的测量精度，甚至造成电路无法正常工作。采用两个反馈环路直接级联的 结构，即使运算放大器本身满足稳定性要求，在构成闭环回路后也会产生稳定性问题。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题本专利技术要解决的技术问题是提供一种补偿电路及辐射探测系统，以解决现有的辐 射探测系统稳定性差，辐照能量的测量精度低，读出信号速率慢等缺陷。(二)技术方案为此，本专利技术提供了一种补偿电路，设置在辐射探测系统的第一级放大器输出端 和第二级放大器输入端之间，包括两个电阻和一个电容，第一电阻与电容并联，其连接点与第二电阻串联。本专利技术还提供了一种辐射探测系统，包括粒子探测器，与所述粒子探测器相连接 的前端放大器，与所述前端放大器相连接的脉冲成形器，与所述脉冲成形器相连接的甄别 器，以及与所述甄别器相连接的计数器，还包括补偿电路，设置在所述前端放大器输出端和脉冲成形器输入端之间，包括两个电 阻和一个电容，第一电阻与电容并联，其连接点与第二电阻串联。(三)有益效果上述技术方案具有如下有益效果通过在第一级放大器和第二级放大器之间设置 补偿电路增加辐射探测系统的极点和零点，在不影响第一级环路增益稳定性的前提下，增 加了第二级环路的相位裕度；同时提高了读出信号的速率，在未增加系统总功耗的情况下 增加了系统稳定性；且成本低廉，结构简单，易于实现。附图说明图1是现有技术辐射探测系统结构示意图；图2是现有技术辐射探测系统的读出电路的电路图；图3是现有技术脉冲成形器闭环反馈结构电路图；图4是现有技术脉冲成形器中运算放大器的电路图；图5是现有技术脉冲成形器环路增益频率特性曲线示意图；图6是本专利技术补偿电路结构示意图；图7是本专利技术辐射探测系统的结构示意图；图8是本专利技术辐射探测系统的读出电路的电路图；图9是本专利技术脉冲成形器环路增益频率特性曲线示意图。其中，1 粒子探测器；2 电荷灵敏放大器；3 脉冲成形器；4 甄别器；5 计数器； 6:补偿电路。具体实施例方式下面结合附图和实施例，对本专利技术的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施 例用于说明本专利技术，但不用来限制本专利技术的范围。如图6所示，为本专利技术补偿电路结构示意图，本实施例包括两个电阻R5、R6和一 个电容C5。其中电阻R5和电容C5并联，其并连连接点再与电阻R6串联连接。将本实施例的补偿电路设置在辐射探测系统的第一级放大器输出端和第二级放 大器输入端之间，能够在不影响第一级环路增益稳定性的前提下，增加了第二级环路的相 位裕度；同时能够提高读出信号的速率。如图7所示，为本专利技术辐射探测系统实施例一结构示意图，再如图8所示，为本发 明辐射探测系统的读出电路的电路图；本实施例包括粒子探测器1、电荷灵敏放大器2、脉 冲成形器3、甄别器4、计数器5以及补偿电路6。其中电荷灵敏放大器2、脉冲成形器3、甄 别器4和计数器5构成了辐射探测系统的读出电路。其中CSA2由第一级放大器Al、电阻 Rl、电阻R2和电阻R3，以及电容Cl，电容C2构成，是粒子探测器1与读出电路的接口，对粒 子辐射产生的电荷包进行接收与积分；脉冲成形器3与CSA2相连接，为一带通滤波器，由第 二级放大器A2、电阻R4，电容C3和电容C4构成，对CSA2输出的脉冲信号进行降噪和整形； 甄别器4与脉冲成形器3相连接，为一滞回比较器，用于减少噪声干扰的影响，对脉冲信号 与阈值进行比较，并将比较结果送入计数器5进行统计。补偿电路6设置在第一级放大器 Al的输出端和第二级放大器A2的输入端之间。包括电阻R5、电阻R6和电容C5，电阻R5和 电容C5并联之后，再与电阻R6串联。本专利技术补偿电路的原理为对于脉冲成形器，其环路增益可以写为ζ2 )l2\S) ~ Ti ； 77； ；-3-；-Γ其中_ 10)ζ2 = —~-~Cf2Kf2 ω 1(C/2 + Ci2 )Rf2 1COd2 —-C C R OUtlS meR out2 m —_^m6Wnd2 —rC0(l+^)Ccωηζ 一可以看到cod2、ωρ2频率都比较低，cod2主要是补偿后的极点分裂的结果，而ωρ2由于Ci2、Rf2取值都比较大，并且在插入补偿结构之前，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种补偿电路，设置在辐射探测系统的第一级放大器输出端和第二级放大器输入端之间，其特征在于，所述补偿电路包括：　　两个电阻和一个电容，第一电阻与电容并联，其连接点与第二电阻串联。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李静，张雅聪，陈中建，鲁文高，周春芝，邵建辉，杨团伟，朱红英，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]