本公開涉及核探測技術(shù)和核電子學(xué)領(lǐng)域，具體而言，涉及一種像素陣列探測器及該像素陣列探測器的模擬電路。

背景技術(shù)：

半導(dǎo)體探測單元(如硅光二極管等)陣列與電子學(xué)專用集成電路芯片通過銦球倒裝焊封裝為一體，構(gòu)成二維像素像素陣列探測器。該類探測器廣泛地應(yīng)用于同步輻射生物大分子晶體學(xué)實(shí)驗(yàn)、同步輻射小角散射實(shí)驗(yàn)等領(lǐng)域。

二維像素像素陣列探測器的單元電路通常分為模擬電路與數(shù)字電路兩部分，模擬電路主要包括低噪聲前置放大器及甄別器，數(shù)字電路主要包括計(jì)數(shù)器及其它邏輯控制電路，整個(gè)電路工作于單光子計(jì)數(shù)模式。首先，低噪聲前置放大器可以將單個(gè)入射光子信號進(jìn)行低噪聲放大，之后通過甄別器將幅度低于甄別器閾值的噪聲信號剔除，從而獲得無噪聲的光子信號。然后計(jì)數(shù)器對過閾信號進(jìn)行計(jì)數(shù)，經(jīng)過一段時(shí)間后，在邏輯控制電路的控制下輸出計(jì)數(shù)器中記錄的過閾事例數(shù)。各像素單元的計(jì)數(shù)作為圖像亮度，像素單元的位置作為對應(yīng)圖像點(diǎn)的二維位置，這樣所讀出數(shù)據(jù)可以形成一幅圖像。

目前，現(xiàn)有二維像素像素陣列探測器的代表為PILATUS探測器及MEDIPIX探測器，它們像素單元的模擬電路分別如圖1和圖2所示。當(dāng)接收到入射光子信號后，PILATUS探測器像素單元的模擬電路通過反饋電阻Rf對積分電容Cf進(jìn)行放電，低噪聲前置放大器的輸出信號脈寬受限于放電時(shí)間常數(shù)Rf×Cf。當(dāng)接收到入射光子信號后，MEDIPIX探測器以恒定電流Ikrum放電，低噪聲前置放大器的輸出信號脈寬受限于放電電流Ikrum的大小。為了收集到足夠的信號電荷，反饋電阻Rf通常大于10⁷Ω，而放電電流Ikrum通常小于20nA，因此這兩種探測器像素單元的計(jì)數(shù)率小于10⁶/s。這限制了PILATUS探測器和MEDIPIX探測器在高計(jì)數(shù)率(像素單元的計(jì)數(shù)率>10⁷/s)要求實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用。

需要說明的是，在上述背景技術(shù)部分公開的信息僅用于加強(qiáng)對本公開的背景的理解，因此可以包括不構(gòu)成對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的現(xiàn)有技術(shù)的信息。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本公開的目的在于提供一種像素陣列探測器及該像素陣列探測器的模擬電路，進(jìn)而至少在一定程度上克服由于相關(guān)技術(shù)的限制和缺陷而導(dǎo)致的一個(gè)或者多個(gè)問題。

根據(jù)本公開的一個(gè)方面，提供一種模擬電路，應(yīng)用于像素陣列探測器，包括：

前置接收模塊，用于接收電流信號和一復(fù)位信號并且根據(jù)所述電流信號和所述復(fù)位信號輸出第一輸出信號；

甄別模塊，用于接收所述第一輸出信號，并且對所述第一輸出信號進(jìn)行甄別以得到第二輸出信號并輸出所述第二輸出信號；以及

復(fù)位模塊，用于接收所述第二輸出信號，并對所述第二輸出信號進(jìn)行處理以輸出脈沖寬度比所述第二輸出信號寬的第三輸出信號，并且根據(jù)所述第三輸出信號與一全局復(fù)位信號向所述前置接收模塊輸出所述復(fù)位信號。

在本公開的一種示例性實(shí)施例中，所述電流信號來自雪崩光電二極管傳感器。

在本公開的一種示例性實(shí)施例中，所述前置接收模塊包括：

運(yùn)算放大器，所述運(yùn)算放大器的正向輸入端接收一參考信號，所述運(yùn)算放大器的負(fù)向輸入端接收所述電流信號，所述運(yùn)算放大器的輸出端輸出所述第一輸出信號；

積分電容，所述積分電容的兩端分別與所述運(yùn)算放大器的所述負(fù)向輸入端和所述運(yùn)算放大器的所述輸出端連接；以及

復(fù)位晶體管，所述復(fù)位晶體管的第一端和第二端分別與所述積分電容的兩端連接，并且所述復(fù)位晶體管的控制端接收所述復(fù)位信號。

在本公開的一種示例性實(shí)施例中，所述復(fù)位晶體管為MOS晶體管。

在本公開的一種示例性實(shí)施例中，所述甄別模塊包括：

比較器，用于接收所述第一輸出信號和一甄別閾值，并且將所述第一輸出信號與所述甄別閾值進(jìn)行比較，并根據(jù)比較結(jié)果輸出所述第二輸出信號。

在本公開的一種示例性實(shí)施例中，所述甄別模塊還包括：

局部閾值調(diào)節(jié)器，用于對一局部閾值進(jìn)行調(diào)節(jié)并輸出；

甄別閾值生成器，用于接收經(jīng)調(diào)解的所述局部閾值并結(jié)合一全局閾值生成所述甄別閾值。

在本公開的一種示例性實(shí)施例中，所述復(fù)位模塊包括：

單穩(wěn)態(tài)電路，用于接收所述第二輸出信號，并且將所述第二輸出信號擴(kuò)展為脈沖寬度比所述第二輸出信號寬的第三輸出信號并輸出所述第三輸出信號；

或門，所述或門的兩個(gè)輸入端分別接收所述第三輸出信號和所述全局復(fù)位信號，并根據(jù)所述第三輸出信號和所述全局復(fù)位信號向所述前置接收模塊輸出所述復(fù)位信號。

在本公開的一種示例性實(shí)施例中，所述全局復(fù)位信號中任一脈沖的下降沿到其下一個(gè)脈沖的上升沿之間的時(shí)間間隔Tint與發(fā)送所述電流信號的傳感器的暗電流Idark、所述積分電容Cf及所述甄別閾值Vth的關(guān)系滿足

在本公開的一種示例性實(shí)施例中，所述第三輸出信號為所述模擬電路的輸出信號。

根據(jù)本公開的一個(gè)方面，提供一種像素陣列探測器，所述像素陣列探測器包括上述任意一項(xiàng)所述的模擬電路。

在本公開的一些實(shí)施例所提供的技術(shù)方案中，通過模擬電路中的復(fù)位模塊向前置接收模塊輸出復(fù)位信號，縮短了前置接收模塊的輸出信號的脈沖寬度，提高了像素陣列探測器的計(jì)數(shù)率，另外，甄別模塊可以將輸入信號中的噪聲信號剔除，確保了信號傳輸?shù)挠行裕送?，?fù)位模塊通過將輸出信號的脈沖寬度擴(kuò)大，在能夠得到足夠的復(fù)位時(shí)間的同時(shí)，有助于后續(xù)電路接收所述模擬電路輸出的信號。

應(yīng)當(dāng)理解的是，以上的一般描述和后文的細(xì)節(jié)描述僅是示例性和解釋性的，并不能限制本公開。

附圖說明

此處的附圖被并入說明書中并構(gòu)成本說明書的一部分，示出了符合本公開的實(shí)施例，并與說明書一起用于解釋本公開的原理。顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本公開的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。在附圖中：

圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)中PILATUS探測器的模擬電路的示意圖；

圖2示出了現(xiàn)有技術(shù)中MEDIPIX探測器的模擬電路的示意圖；

圖3示意性地示出了根據(jù)本公開的示例性實(shí)施方式的模擬電路的模塊框圖；

圖4示出了根據(jù)本公開的示例性實(shí)施方式的模擬電路的示意圖；以及

圖5示意性示出了根據(jù)本公開的示例性實(shí)施方式的像素陣列探測器的模擬電路的各節(jié)點(diǎn)的波形圖。

具體實(shí)施方式

現(xiàn)在將參考附圖更全面地描述示例實(shí)施方式。然而，示例實(shí)施方式能夠以多種形式實(shí)施，且不應(yīng)被理解為限于在此闡述的范例；相反，提供這些實(shí)施方式使得本公開將更加全面和完整，并將示例實(shí)施方式的構(gòu)思全面地傳達(dá)給本領(lǐng)域的技術(shù)人員。所描述的特征、結(jié)構(gòu)或特性可以以任何合適的方式結(jié)合在一個(gè)或更多實(shí)施方式中。在下面的描述中，提供許多具體細(xì)節(jié)從而給出對本公開的實(shí)施方式的充分理解。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員將意識到，可以實(shí)踐本公開的技術(shù)方案而省略所述特定細(xì)節(jié)中的一個(gè)或更多，或者可以采用其它的方法、組元、裝置、步驟等。在其它情況下，不詳細(xì)示出或描述公知技術(shù)方案以避免喧賓奪主而使得本公開的各方面變得模糊。

此外，附圖僅為本公開的示意性圖解，并非一定是按比例繪制。圖中相同的附圖標(biāo)記表示相同或類似的部分，因而將省略對它們的重復(fù)描述。附圖中所示的一些方框圖是功能實(shí)體，不一定必須與物理或邏輯上獨(dú)立的實(shí)體相對應(yīng)?？梢圆捎密浖问絹韺?shí)現(xiàn)這些功能實(shí)體，或在一個(gè)或多個(gè)硬件模塊或集成電路中實(shí)現(xiàn)這些功能實(shí)體，或在不同網(wǎng)絡(luò)和/或處理器裝置和/或微控制器裝置中實(shí)現(xiàn)這些功能實(shí)體。

圖3示意性地示出了根據(jù)本公開的示例性實(shí)施方式的模擬電路的模塊框圖。參考圖3，根據(jù)本公開的示例性實(shí)施方式的穆尼電路可以包括前置接收模塊1、甄別模塊2和復(fù)位模塊3。其中：

前置接收模塊1可以是接收光子的傳感器與像素單元之間的接口電路，用于接收電流信號和一復(fù)位信號并且根據(jù)接收到的電流信號和復(fù)位信號輸出第一輸出信號。

甄別模塊2可以用于接收前置接收模塊1輸出的第一輸出信號，并且可以對第一輸出信號進(jìn)行甄別，以將信號的脈沖幅值低于一甄別閾值的噪聲信號剔除，從而生成第二輸出信號并輸出第二輸出信號。

復(fù)位模塊3可以用于接收甄別模塊2輸出的第二輸出信號，并對第二輸出信號進(jìn)行處理以輸出脈沖寬度比第二輸出信號寬的第三輸出信號，并且根據(jù)所述第三輸出信號與一全局復(fù)位信號向前置接收模塊1輸出所述復(fù)位信號。

在本公開的一些實(shí)施例所提供的技術(shù)方案中，通過模擬電路中的復(fù)位模塊向前置接收模塊輸出復(fù)位信號，縮短了前置接收模塊的輸出信號的脈沖寬度，提高了像素陣列探測器的計(jì)數(shù)率，另外，甄別模塊可以將輸入信號中的噪聲信號剔除，確保了信號傳輸?shù)挠行?，此外，?fù)位模塊通過將輸出信號的脈沖寬度擴(kuò)大，在能夠得到足夠的復(fù)位時(shí)間的同時(shí)，有助于后續(xù)電路接收所述模擬電路輸出的信號。

然而，本示例性實(shí)施方式還可以包括有助于提高像素陣列探測器的計(jì)數(shù)率的其他模塊，并且這些電路模塊之間的連接關(guān)系可以變化，本示例性實(shí)施方式中對此不做特殊限定。

下面將結(jié)合圖4對根據(jù)本公開的示例性實(shí)施方式的模擬電路進(jìn)行詳細(xì)地描述。

如圖4所示，前置接收模塊1可以包括一運(yùn)算放大器、積分電容Cf以及復(fù)位晶體管Mreset。其中，該運(yùn)算放大器的正向輸入端接收一參考信號Vref，該運(yùn)算放大器的負(fù)向輸入端接收一電流信號，其中，所述電流信號可以來自用于感測光子的傳感器，在本公開的示例性實(shí)施方式中，感測光子的傳感器可以是雪崩光電二極管傳感器，然而，本公開還可以包括其他具有良好感測光子能力的傳感器，另外，該運(yùn)算放大器的輸出端輸出第一輸出信號Vo1；積分電容Cf的兩端分別與運(yùn)算放大器的負(fù)向輸入端和運(yùn)算放大器的輸出端連接；復(fù)位晶體管Mreset的第一端和第二端分別與積分電容Cf的兩端連接，并且復(fù)位晶體管的控制端接收復(fù)位信號Vo4，在本公開的示例性實(shí)施方式中，復(fù)位晶體管Mreset可以是MOS晶體管，但不限于此，本公開還可以使用能夠?qū)崿F(xiàn)相同功能的電子元件，本示例性實(shí)施方式中對此不做特殊限定。

甄別模塊2可以包括一比較器，該比較器用于接收第一輸出信號Vo1和一甄別閾值，并且將第一輸出信號Vo1與該甄別閾值Vth進(jìn)行比較，并根據(jù)比較結(jié)果輸出第二輸出信號Vo2。

根據(jù)本公開的一些實(shí)施例，該甄別閾值Vth可以由一全局閾值和一局部閾值確定，其中，全局閾值為一固定值，而局部閾值可以發(fā)生變化。因此，可以通過對局部閾值進(jìn)行調(diào)節(jié)以實(shí)現(xiàn)甄別閾值Vth的調(diào)節(jié)。鑒于此，甄別模塊2還可以包括局部閾值調(diào)節(jié)器和甄別閾值生成器，結(jié)合局部閾值的調(diào)節(jié)結(jié)果與全局閾值可以生成所需的甄別閾值Vth。

復(fù)位模塊3可以包括一單穩(wěn)態(tài)電路和一或門。其中，該單穩(wěn)態(tài)電路用于接收甄別模塊2輸出的第二輸出信號Vo2，并且將第二輸出信號Vo2擴(kuò)展為脈沖寬度比第二輸出信號Vo2寬的第三輸出信號Vo3并輸出第三輸出信號Vo3，根據(jù)本公開的一些實(shí)施例，第三輸出信號Vo3即為模擬電路的輸出信號；或門的兩個(gè)輸入端分別接收第三輸出信號Vo3和全局復(fù)位信號Vreset，并且根據(jù)或門的邏輯運(yùn)算的結(jié)果向前置接收模塊1輸出復(fù)位信號Vo4，結(jié)合上面的描述，復(fù)位信號Vo4輸出至復(fù)位晶體管Mreset的控制端。

此外，由于發(fā)送電流信號的傳感器會(huì)產(chǎn)生暗電流，而暗電流會(huì)對真實(shí)光子信號的甄別造成影響。為了解決該問題，全局復(fù)位信號Vreset中任一脈沖的下降沿到其下一個(gè)脈沖的上升沿之間的時(shí)間間隔Tint與傳感器的暗電流Idark、積分電容Cf及甄別閾值Vth的關(guān)系應(yīng)當(dāng)滿足

接下來，將結(jié)合圖5對圖4所示的模擬電路的工作過程進(jìn)行說明。

參考圖5，首先，在全局復(fù)位信號Vreset跳變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，復(fù)位信號Vo4跟隨全局復(fù)位信號Vreset跳變?yōu)楦唠娖剑藭r(shí)，復(fù)位晶體管Mreset導(dǎo)通，積分電容Cf被復(fù)位，前置接收模塊1的輸出信號(即，第一輸出信號)Vo1等于參考信號Vref；隨后，復(fù)位信號Vo4跟隨全局復(fù)位信號Vreset跳變?yōu)榈碗娖剑瑐鞲衅鞯陌惦娏鱅dark開始對積分電容Cf進(jìn)行積分，第一輸出信號Vo1從參考信號Vref開始緩慢降低，當(dāng)有光子信號入射后，傳感器產(chǎn)生的電流信號可以使第一輸出信號Vo1快速下降，當(dāng)?shù)谝惠敵鲂盘朧o1下降到Vref-Vth時(shí)，在甄別模塊2的輸出端輸出一窄脈沖的第二輸出信號Vo2；接下來，該窄脈沖的第二輸出信號Vo2在通過復(fù)位模塊3中的單穩(wěn)態(tài)電路后，可以生成脈沖寬度比第二輸出信號Vo2大的第三輸出信號Vo3(即，模擬電路的輸出信號)，隨后，第三輸出信號Vo3可以被傳送至陣列傳感器的數(shù)字電路部分以對光子信號進(jìn)行計(jì)數(shù)，或者第三輸出信號Vo3可以被傳送至其他處理模塊以進(jìn)行進(jìn)一步處理，本示例性實(shí)施方式中對此不做特殊限定。同時(shí)，由于全局復(fù)位信號Vreset處于低電平狀態(tài)，第三輸出信號Vo3與全局復(fù)位信號Vreset經(jīng)或門處理后，復(fù)位信號Vo4跟隨第三輸出信號Vo3輸出一較寬的脈沖信號，用于對積分電容Cf進(jìn)行復(fù)位操作。至此，根據(jù)本公開的示例性實(shí)施方式的模擬電路完成了對接收到的一個(gè)光子信號的處理，同時(shí)進(jìn)入下一個(gè)光子信號的處理周期。

從圖5中還可以看出，在接收到多個(gè)光子信號之后，全局復(fù)位信號Vreset可以再次跳變?yōu)楦唠娖揭詫Ψe分電容Cf進(jìn)行復(fù)位，此時(shí)，模擬電路完成了一個(gè)幀信號的處理過程，接下來，隨著全局復(fù)位信號Vreset再次跳變?yōu)榈碗娖?，模擬電路將進(jìn)行下一個(gè)幀信號的處理過程。

此外，為了消除傳感器的暗電流對模擬電路造成的影響，全局復(fù)位信號Vreset中任一脈沖的下降沿到其下一個(gè)脈沖的上升沿之間的時(shí)間間隔Tint應(yīng)當(dāng)滿足

進(jìn)一步的，本示例實(shí)施方式中還提供了一種像素陣列探測器，該像素陣列探測器可以包括上述模擬電路。該像素陣列探測器具有計(jì)數(shù)率高的特點(diǎn)，能夠較好地滿足相應(yīng)實(shí)驗(yàn)的要求。

本領(lǐng)域技術(shù)人員在考慮說明書及實(shí)踐這里公開的發(fā)明后，將容易想到本公開的其它實(shí)施方式。本申請旨在涵蓋本公開的任何變型、用途或者適應(yīng)性變化，這些變型、用途或者適應(yīng)性變化遵循本公開的一般性原理并包括本公開未公開的本技術(shù)領(lǐng)域中的公知常識或慣用技術(shù)手段。說明書和實(shí)施例僅被視為示例性的，本公開的真正范圍和精神由權(quán)利要求指出。

應(yīng)當(dāng)理解的是，本公開并不局限于上面已經(jīng)描述并在附圖中示出的精確結(jié)構(gòu)，并且可以在不脫離其范圍進(jìn)行各種修改和改變。本公開的范圍僅由所附的權(quán)利要求來限制。