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SiC中子探测器前端读出电路SET加固设计

摘要

碳化硅(SiC)相较于传统半导体材料抗辐射和耐高温能力强，因此，SiC中子探测器

在空间物理学、航空航天、核检测等许多领域有着广泛的应用前景。前端读出芯片作为

探测器的信号处理电路，对其工作环境中的辐射效应极为敏感。随着电路集成度不断增

高，单粒子效应(Single-EventEffect,SEE)对集成电路的影响愈加严重，其中，单粒子瞬

态(Single-EventTransient,SET)是模拟电路SEE的主要形式。本论文研究了SiC中子探

测器模拟前端读出电路的SET效应，并对其进行加固。本文的主要工作和创新有：

首先基于平面型SiC中子探测器设计了模拟前端读出电路，实现了对中子能量信息

到电压峰值的转化，并对电压的峰值进行采样保持和读出。单个能量读出通道包括前置

放大器、漏电流补偿电路、极零相消电路、成形滤波器、采样保持电路以及由甄别器和

逻辑展宽器构成的时间标记电路。着重对整体电路的噪声性能进行了分析和建模，通过

分析相关参数，对前置放大器和成形滤波器进行了噪声优化设计，同时综合噪声、弹道

损耗以及读出速度，对成形时间进行了选择。之后完成了整个电路的设计。基于DB

0.18µm工艺设计了电路版图，并进行了后仿真验证电路功能。版图面积为

1423µm×1013µm，后仿真结果显示，成形时间为25ns，时间移步误差为12ns，非线性

-

误差小于2.5%，电路增益为14.2mV/fC，等效噪声电荷为76.1e。

其次通过对前端读出电路的SET响应进行仿真分析，得到了需要进行SET加固设

计的所有节点。在对SET效应作用机理进行研究和分析的基础上，构建了电路级SET

双指数电流源仿真模型，并由此模型对电路的线性部分（运放电路）、半线性部分（开关

电容结构）和非线性部分（逻辑电路）进行了SET响应的仿真与分析，得到电路中需要

进行SET加固的所有敏感节点。

最后对前端读出电路进行了SET加固设计和仿真验证。针对不同电路模块，提出了

相应的加固策略。其中，前置放大器的核心运放和逻辑电路中的反相器采用了节点分裂

法进行了SET加固设计，通过仿真验证，电路抗SET效应得到增强；采样保持电路中

的开关电容结构采用节点分裂和改变管子的工作状态的方法进行加固，加固效果显著；

甄别器输出通过逻辑展宽器，可将由SET引起的瞬态翻转完全屏蔽；对与非门，本文提

出了一种新的电路加固方法，将电路的SET响应削弱了一半以上。

关键词：前端读出电路；SET效应；节点分裂法；低噪声

SiC中子探测器前端读出电路SET加固设计

ABSTRACT

Comparedwithtraditionalsemiconductormaterials,siliconcarbide(SiC)ismoreresistant

toradiationandhightemperature.Therefore,SiCneutrondetectorshavebroadapplication

prospectsinspacephysics,aerospace,nucleardetectionandmanyotherfields.Thefront-end

readoutchip,asthesignalprocessingcircuitofthedetector,isextremelysensitivetothe

radiationeffectsinitsworkingenvironment.Ascircuitintegrationcontinuestoincreaseand

devicesizecontinuestodecrease,theimpactofsingleeventeffects(SEE)onintegra