第二十三届全国核电子学与核探测技术学术年会（NED2026）

用于混合像素传感器的像素级时间与能量读出电路设计

11 Aug 2026, 15:00

15m

太室宴会厅 (中州华鼎饭店)

口头报告 电子学 Parallel 2 - session 3 (electronics)

Speaker

Xiaomin Wei (Northwestern Polytechnical University)

Description

混合像素传感器系统具有高集成度、低功耗、高分辨率、高抗辐射的特点，适配不同传感器，可应用于高能物理实验粒子探测、核医学成像、空间X射线成像等领域。在像素级实现时间及能量测量比在列级或芯片级实现能达到更高的计数率和更精确的时间测量。同时实现能量测量不仅能够适应部分应用对粒子能量区分的需求，还能通过能量信息进行时间移步的矫正。
本文设计了一个兼具小面积与低功耗特性的像素级时间/能量测量电路。考虑面积和功耗的约束，本文未采用传统峰值保持采样的能量测量，而是采用过阈时间(Time over Threshold, TOT)测量的方法实现能量测量。该方法的TOT测量可与粒子到达时间（Time of Arrival, TOA）测量共用时间甄别器，节约面积与功耗。同时，本设计集成了像素级DAC用于阈值不一致性校准。为进一步提高时间分辨率，我们将16个像素组成超级像素，并在超级像素内复制芯片级锁相环的压控振荡器，生成频率为系统时钟16倍的高频时钟信号，用于高精度的时间测量。
本文采用180nm标准商用CMOS工艺完成了一款1632阵列的读出电路。像素单元80µmx80µm，输入电荷范围500e-~25000e-，泄漏电流补偿范围为-2nA~10nA，单像素计数率大于10kHz。在泄漏电流为1nA和输入寄生电容为60fF的条件下，等效噪声电荷小于100e-，像素单元模拟电路功耗为18µW。测试结果表明，芯片输入电荷范围为500~25000e-时转换增益为129.7ns/ke-，输入等效噪声电荷约75.7e-，能量测量非线性误差为4.86%，使用TOT校正后约时间移步6.9ns。在输入1000~25000e-时，非线性误差降到1.18%，校正后时间移步0.9ns。