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介绍：电子个人剂量计（EPD）是用于核电站、核医学和核材料搜索领域的辐射测量仪器。它探测X射线和γ射线的能量范围在keV到MeV之间。该仪器的工作原理是首先对核辐射产生的脉冲信号进行计数，然后利用计数剂量转换因子测量出等效剂量值。一般利用Si-PIN探测器探测低能量射线，如几个keV的X射线。由于EPD是一种由电池供电的便携式设备，小尺寸和低功耗是其发展的关键。为了实现低噪声、低功耗、小体积，需要前端读出专用集成电路（ASIC）读出来自Si-PIN探测器的微弱电流信号。在该应用中，为了检测出良好的keV射线能量谱分辨率，功耗小于2 mW/通道（尽可能的小）的条件下，ASIC的等效噪声电荷（ENC）需要小于100 e-（rms）。同时，需要满足大约106的计数率，这对ASIC的设计是一个巨大的挑战。在本文中，我们提出了一种新的具有数字接口和二进制输出的四通道前端读出ASIC设计方法，适用于西门子Si-PIN探测器。探测器和仪器如图1所示。参考电压由数字-模拟转换器（DAC）控制，其输入数据由数字I2C接口配置。由于探测器电容为20 pF，将对噪声进行分析和优化。ASIC原型采用TSMC 0.35μm混合信号 CMOS工艺实现，正在测试中。
前端ASIC结构及电路描述： 提出的前端电路结构如图2所示。它由四个读出通道电路和外围模块组成。在单个读出通道中，集成了诸如电荷灵敏放大器（CSA）、有源滤波成形器、输出缓冲器、甄别器和DAC等典型模拟前端电路。提出了一种具有分支拓扑结构的PMOS输入型CSA作为前置放大器。CSA的输入端与Si-PIN检测器的阳极交流耦合相连。有源滤波成形器由CR-RC滤波成形器实现，接着是Sallen-Key（SK）低通滤波器。成形器的峰值时间为250纳秒。甄别器由具有迟滞功能的三级高分辨率比较器实现，迟滞电压约为5 mV，比较器的阈值电压由基于R-2R拓扑结构的6位DAC配置。采用偏置电流为20μA的对称差分运算放大器来降低功耗。每个通道中的所有模拟电路都有两种偏置方式，即内部偏置电流和外部偏置电流，内部偏置电流由集成的带隙基准电路产生。整个ASIC的控制寄存器是40位。此外，为了减少焊盘数目，寄存器由I2C接口配置，在ASIC中集成了I2C从控制器。
噪声和ENC优化： 超低功耗和高计数率下的低噪声设计对于所提出的ASIC来说是极具挑战的。在电路设计之前先进行了ENC建模，考虑了来自探测器、模拟前端和电源的噪声源，最后计算得出ENC方程。仿真结果如图3所示，给出了ENC（Z轴）与成形时间（X轴）和探测器电容（Y轴）的理论噪声水平。通过仿真结果可知，最低噪声条件为250ns的成形时间，输入晶体管的W/L比为2000μm/0.4μm。CSA、CR-RC成形器和SK滤波器的偏置电流分别为200μA、50μA和20μA。
芯片性能测试与评估：在0.35μm 3.3V CMOS工艺中设计并实现了前端ASIC（命名为SENSROC 12）。在该芯片中，有四个读出通道、两个dummy通道、偏置电路、带隙基准电路和I2C接口电路。芯片尺寸为2.4毫米×2.4毫米，芯片的显微照片如图4所示。测试的PCB系统如图5所示。ASIC正在测试中。初步测试结果显示在图6和图7中。输入范围约为0.2fC～15fC，成形时间约为250ns，ENC为139 e- + 19 e-/pF，计数率可达1MHz，静态功耗约为1.25 mW/通道。测试结果表明，所提出的ASIC能够很好地满足EPD和其他辐射探测器系统的要求。
