[发明专利]光电倍增管信号读出芯片

说明书

本发明提供一种光电倍增管信号读出芯片，包括：输入晶体管，所述输入晶体管的源极和芯片输入端共同通过恒流源接地，输入晶体管的栅极连接放大器的输出端，放大器的输入端连接芯片输入端，其中，放大器的放大倍数被设计为适于使得输入晶体管的源极输入电压低于输入晶体管的耐压限值；第一电流镜，所述第一电流镜的输入侧连接输入晶体管的漏极，对流经第一电流镜的输入侧的电流进行镜像，在第一电流镜的若干输出侧分别输出镜像增益电流；第二电流镜，为所述第一电流镜的每个输出侧分别配设各一个所述第二电流镜，每个第二电流镜分别对所对应的第一电流镜的输出侧的电流进行镜像并以自身输出侧的漏极开路作为芯片输出端输出镜像增益电流，其中，每个芯片输出端具有不同的增益。

技术领域

本发明涉及一种光电倍增管(PMT)信号读出芯片，尤其是一种高增益微通道板光电倍增管(MCP-PMT)信号读出芯片。

背景技术

光电倍增管(PMT)作为光电转换器件将打到光阴极上的光子转换成电子并通过微通道板进行电子倍增，从而实现光信号的探测。光电倍增管被应用于各种光探测设备领域。大尺寸的光电倍增管常常被用在大型高能物理实验基础研究装置中，特别是近年来的出现的微通道板光电倍增管(MCP-PMT)因其响应速度更快、增益更高(约1×10⁷，输出信号电流峰值能达到500mA以上)、线性输出动态范围更大等特点被广泛应用。随着高速波形采样技术的发展，物理学家不仅想要获得电荷量，也想要获得波形的完整形状信息，全波形信号获取成为探测器信号读出与处理的目标。高能物理实验测量的动态范围很大，一个高速ADC并不能完全覆盖整个动态范围，因此需要分量程进行测量。

传统的光电倍增管读出芯片针对的光电倍增管增益较小，均在1×10⁶量级，且大部分采用电荷积分形式。如图1所示，信号经过放大、成形、峰值保持、A/D转换，并且A/D转换采样率一般较低。

应用于1×10⁷增益下光电倍增管的信号且使用高速波形采样技术的方案均采用分立商用电压运算放大器搭建，并采用输入端电阻网络分压实现大动态范围信号测量，如图2所示。对于大信号的情况，高增益量程的电压放大器输入端承受冲击很大，因此需要选择更大的电压供电的商用运算放大器，而越大供电的运算放大器的带宽就越小，难以满足微通道板光电倍增管读出电路的带宽需求。供电电压大的商用运算放大器其输出电压范围也大，在高增益量程前放输出或ADC输入需要钳位保护，以免ADC受到大信号冲击。

本领域技术人员可能考虑的一种分量程读出微通道板光电倍增管(MCP-PMT)信号的技术方案是集成多个电压运算放大器，但代价是带宽受增益影响显著，电路供电电压必须超过信号幅度，因而必须采用耐压更高的晶体管，这也造成了晶体管速度下降。此外，采用多个运算放大器造成的问题是，功耗会明显增加。

另一种可能的尝试是集成多个跨阻放大器。这能够实现微通道板光电倍增管(MCP-PMT)信号的分量程读出。但由于输入端流过放大器的电流与跨阻放大器的输入阻抗有关，因而流过各量程的跨阻放大器的电流的比例关系很难控制，且其带宽受增益影响显著。同样，采用多个运算放大器会造成功耗明显增加。

因此，希望能够提供一种光电倍增管信号读出芯片，该芯片能够实现微通道板光电倍增管在1×10⁷增益下信号接收及分量程输出，以实现光信号的大动态范围测量，并保留信号原始波形形状信息。

发明内容