【摘 要】
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自利用X射线脉冲星进行航天器自主导航的构想被提出以来,就因为其高精度、抗干扰等优越的性能受到各方的关注。随着脉冲星自主导航技术的发展,高速、高精度、低噪声的X射线探测器成为脉冲星自主导航技术的关键一环,因此对X射线探测器读出芯片的前端读出电路的噪声等性能也提出了更高的要求。本文针对X射线像素探测器开展了读出电路芯片的研究和设计,进行了X射线像素探测器读出电路芯片中低噪声前端读出电路的设计和仿真验证
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自利用X射线脉冲星进行航天器自主导航的构想被提出以来,就因为其高精度、抗干扰等优越的性能受到各方的关注。随着脉冲星自主导航技术的发展,高速、高精度、低噪声的X射线探测器成为脉冲星自主导航技术的关键一环,因此对X射线探测器读出芯片的前端读出电路的噪声等性能也提出了更高的要求。本文针对X射线像素探测器开展了读出电路芯片的研究和设计,进行了X射线像素探测器读出电路芯片中低噪声前端读出电路的设计和仿真验证,实现了对入射X射线脉冲信号的击中时间信息以及能量幅值信息的提取和输出,并基于华虹宏力0.13μm CMOS工艺,完成了前端读出电路的版图设计与后仿真。读出电路芯片的像素阵列为40×50,单个像素版图大小为80μm×80μm,总体版图大小为5000μm×5000μm。后仿真结果表明,单个像素的总电流为15.11μA,电荷到电压的增益为0.088mV/e-,“时间移步”偏差为23.3ns,非线性误差为2.35%,等效噪声电荷为40.61 e-,读出电路芯片的总电流为31.5m A。在CMOS读出电路芯片第一版芯片XPIXR＿v1的成功流片与封装后,进行其测试工作,对测试结果进行总结分析,测试结果表明,CMOS读出电路芯片XPIXR＿v1的总电流为32.0m A,非线性误差为2.79%,等效噪声电荷为38.75e-,满足设计要求。开展了CMOS读出电路芯片像素一致性的分析,分析了导致2000个像素单元不一致的原因,并对前端读出电路进行了一致性优化设计,包括双端输入的电荷敏感放大器、电压比较器以及补偿DAC等,并对前端电路进行了仿真和版图设计,单个像素版图大小为80μm×80μm。在此工作基础上,完成了第二版CMOS读出电路芯片XPIXR＿v2A的电路以及版图设计,像素阵列为40×50,总版图大小为5000μm×5000μm。前端读出电路的后仿真结果表明,优化后的像素单元总电流为18.19μA,增益为0.079 mV/e-,“时间移步”偏差为113.6ns,非线性误差为1.53%,像素间的不一致性可以控制在峰峰值10mV,标准差1.6mV以内,等效噪声电荷为27.06e-。
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