一种高计数率下自适应增益放大读出电路及使用方法

本发明是关于一种高计数率下自适应增益放大读出电路及使用方法，涉及辐射测量。

背景技术：

1、随着hiaf（强流重离子加速器装置）的建成，将推动放射性束物理向更重、更靠近滴线的核区扩展，发现更丰富的科学宝藏。为了满足前沿科学的需求，将在hiaf 上建造新一代放射性次级束分离线（hiaf fragment separator,hfrs）。

2、开展放射性核束物理实验的前提条件是对不同核素进行可靠的鉴别。由于hfrs的高能强流特性，对束线粒子鉴别探测器研制带来了极大的技术挑战，需要实现z=1-92的粒子鉴别（输入信号动态范围2fc～15pc），并实现高计数率（～1mhz）和多通道（～1000路）的要求。

3、现有前端读出asic芯片无法同时兼顾大动态范围和高计数率的需求。

技术实现思路

1、本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，针对上述问题，本发明的目的是提供一种高计数率下自适应增益放大读出电路，有效解决了高计数率下低噪声、大动态输入电荷信号读出的问题，能够测量大动态范围、高计数率的探测器输出信号。

2、为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

3、第一方面，本发明提供一种高计数率下自适应增益放大读出电路，该放大读出电路包括积分电压单元、开关电路、开关控制模块和触发控制模块；所述开关电路包括并联连接的增益调节开关和泄放开关；

4、所述积分电压单元，用于将获得的外部探测器信号输出为积分电压信号；

5、所述触发控制模块，基于所述积分电压信号产生泄放信号和重置信号，所述泄放信号作用于所述泄放开关，保证所述积分电压信号被外部adc采样后完成电压泄放到输出基线电位；

6、所述开关控制模块，用于根据所述积分电压信号控制所述增益调节开关到相应档位，其中，所述重置信号通过所述开关控制模块作用于所述增益调节开关回到高增益档位。

7、一些可能的实施例中，所述积分电压单元包括并联连接的放大器和电容，外部探测器的输入电荷进入所述积分电压单元在所述电容上累积，累积的电荷通过所述电容在所述放大器输出端产生积分电压信号。

8、一些可能的实施例中，所述泄放开关包括串联连接的两个bleed开关，所述泄放信号控制两个所述bleed开关存在两种状态：

9、在信号积分阶段两个所述bleed开关处于断开极大电阻状态；

10、在泄放阶段的两个所述bleed闭合进行泄放。

11、一些可能的实施例中，所述增益开关电路包括并联连接的三路开关支电路，其中：

12、第一开关支电路包括串联连接的第一开关、第一电容和第一开关；

13、第二开关支电路包括串联连接的第二开关、第二电容和第二开关；

14、第三开关支电路包括串联连接的第三开关、第三电容和第三开关。

15、一些可能的实施例中，档位设计分为四档：

16、第一档位：第一开关、第二开关、第三开关全断开，对应读出的输入电荷为2.2fc-210fc，此档位也为高增益挡位；

17、第二档位：第一开关闭合，对应读出的输入电荷为210fc-1.26pc；

18、第三档位：第一开关和第二开关闭合，对应读出的输入电荷为1.26pc-6.3pc；

19、第四档位：第一开关、第二开关和第三开关全部闭合，对应读出的输入电荷为6.3pc-16.5pc。

20、一些可能的实施例中，所述触发控制模块包括阈值比较器、单稳长延时、单稳短延、rc延时单元、第一或门和短延时模块，所述阈值比较器的正向输入端输入阈值电压信号，所述阈值比较器的反向输入端输入所述积分电压信号，所述阈值比较器的输出端依次连接所述单稳长延时、单稳短延时和rc延时单元，所述rc延时单元还通过所述或门连接所述短延时模块，其中：所述积分电压信号通过所述单稳长延时和单稳短延时产生高电平触发信号，所述高电平触发信号与外部输入的复位信号通过第一或门形成所述泄放信号，所述泄放信号通过所述短延时模块产生延时后形成所述重置信号。

21、一些可能的实施例中，所述开关控制模块包括高速比较器、第一～第三锁存器、延迟电路及第二或门，所述高速比较器的正向和负向输入端分别连接所述积分电压信号和设定阈值电压信号，所述高速比较器的输出端并联连接第一锁存器、第二锁存器和第三锁存器的输入端，所述第一锁存器、第二锁存器和第三锁存器的输出端分别连接第一开关、第二开关及第三开关，所述第一锁存器、第二锁存器和第三锁存器之间均通过所述延迟电路及第二或门连接，且所述第一锁存器、第二锁存器、第三锁存器及第二或门均输入所述重置信号。

22、一些可能的实施例中，所述第一锁存器、第二锁存器和第三锁存器均采用rs触发器进行实现，初始时所述第一锁存器的rs触发器的r端接收片外重置信号输入的低电平，使所述第一锁存器为启动状态，所述第二锁存器和第三锁存器处于关闭状态。

23、一些可能的实施例中，还包括缓冲器，所述积分电压单元的输出端通过所述缓冲器连接外部adc，用于提高所述积分电压单元输出电压信号驱动能力。

24、第二方面，本发明还提供一种高计数率下自适应增益放大读出电路的使用方法，该方法包括：

25、探测器输出的信号通过所述积分电压单元输出积分电压信号；

26、所述积分电压信号经过所述触发控制模块产生泄放信号和重置信号；

27、所述积分电压信号输入到所述开关控制模块，所述开关控制模块根据积分电压信号与设定阈值电压的比较结果控制多档位切换的增益调节开关，用于在不同输入电荷情况下切换合适的档位；

28、所述泄放信号作用于泄放开关，在保证输出信号被片外的adc读出后，使电路恢复到输出基线电位；

29、所述重置信号通过所述开关控制模块使增益调节开关回到高增益档位，等待下一次测量。

30、本发明由于采取以上技术方案，其具有以下特点：

31、1、本发明提出的基于180nmcmos工艺的多档转换增益自动切换的前端读出电路，能够有效解决高计数率（1 mhz /通道）、大动态范围（2.2fc-16.5pc）的前端信号读出需求。

32、2、本发明通过积分电压单元、开关控制模块与触发控制模块控制的自动增益切换电路，完成全动态范围内各个档位信号最佳精度的自适应电荷量测量。

33、综上，本发明可以广泛应用于核物理、核天体物理中的探测器信号读出。

技术特征：

1.一种高计数率下自适应增益放大读出电路，其特征在于，该放大读出电路包括积分电压单元、开关电路、开关控制模块和触发控制模块；所述开关电路包括并联连接的增益调节开关和泄放开关；

2.根据权利要求1所述的高计数率下自适应增益放大读出电路，其特征在于，所述积分电压单元包括并联连接的放大器和电容，外部探测器的输入电荷进入所述积分电压单元在所述电容上累积，累积的电荷通过所述电容在所述放大器输出端产生积分电压信号。

3.根据权利要求1所述的高计数率下自适应增益放大读出电路，其特征在于，所述泄放开关包括串联连接的两个bleed开关，所述泄放信号控制两个所述bleed开关存在两种状态：

4.根据权利要求3所述的高计数率下自适应增益放大读出电路，其特征在于，所述增益开关电路包括并联连接的三路开关支电路，其中：

5.根据权利要求4所述的高计数率下自适应增益放大读出电路，其特征在于，档位设计分为四档：

6.根据权利要求5所述的高计数率下自适应增益放大读出电路，其特征在于，所述触发控制模块包括阈值比较器、单稳长延时、单稳短延、rc延时单元、第一或门和短延时模块，所述阈值比较器的正向输入端输入阈值电压信号，所述阈值比较器的反向输入端输入所述积分电压信号，所述阈值比较器的输出端依次连接所述单稳长延时、单稳短延时和rc延时单元，所述rc延时单元还通过所述或门连接所述短延时模块，其中：所述积分电压信号通过所述单稳长延时和单稳短延时产生高电平触发信号，所述高电平触发信号与外部输入的复位信号通过第一或门形成所述泄放信号，所述泄放信号通过所述短延时模块产生延时后形成所述重置信号。

7.根据权利要求6所述的高计数率下自适应增益放大读出电路，其特征在于，所述开关控制模块包括高速比较器、第一～第三锁存器、延迟电路及第二或门，所述高速比较器的正向和负向输入端分别连接所述积分电压信号和设定阈值电压信号，所述高速比较器的输出端并联连接第一锁存器、第二锁存器和第三锁存器的输入端，所述第一锁存器、第二锁存器和第三锁存器的输出端分别连接第一开关、第二开关及第三开关，所述第一锁存器、第二锁存器和第三锁存器之间均通过所述延迟电路及第二或门连接，且所述第一锁存器、第二锁存器、第三锁存器及第二或门均输入所述重置信号。

8.根据权利要求7所述的高计数率下自适应增益放大读出电路，其特征在于，所述第一锁存器、第二锁存器和第三锁存器均采用rs触发器进行实现，初始时所述第一锁存器的rs触发器的r端接收片外重置信号输入的低电平，使所述第一锁存器为启动状态，所述第二锁存器和第三锁存器处于关闭状态。

9.根据权利要求1所述的高计数率下自适应增益放大读出电路，其特征在于，还包括缓冲器，所述积分电压单元的输出端通过所述缓冲器连接外部adc，用于提高所述积分电压单元输出电压信号驱动能力。

10.一种基于权利要求4- 9任一项所述的高计数率下自适应增益放大读出电路的使用方法，其特征在于，该方法包括：

技术总结本发明涉及一种高计数率下自适应增益放大读出电路及使用方法，包括积分电压单元、开关电路、开关控制模块和触发控制模块；开关电路包括并联连接的增益调节开关和泄放开关；积分电压单元，用于将获得的外部探测器信号输出为积分电压信号；触发控制模块，基于积分电压信号产生泄放信号和重置信号，泄放信号作用于泄放开关，保证积分电压信号被外部ADC采样后完成电压泄放到输出基线电位；开关控制模块，用于根据积分电压信号控制增益调节开关到相应档位，其中，重置信号通过开关控制模块作用于增益调节开关回到高增益档位。本发明可以广泛应用于核物理、核天体物理中的探测器信号读出。技术研发人员：千奕,刘政强,蒲天磊受保护的技术使用者：中国科学院近代物理研究所技术研发日：技术公布日：2024/7/29