具有较大线路电容的X射线成像仪中，用于电荷敏感放大器的噪声抑制技术

《IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers》：Noise Reduction in Charge-Sensitive Amplifiers for X-Ray Imagers With Large Line Capacitance

寄生数据线电容（Cp）对X射线成像器模拟前端电路（AFE）噪声性能的负面影响，通过引入低噪声辅助放大器（AUX）设计两种新方法解决：一为负电容抵消技术，二为前馈路径噪声抵消。实验表明，在1.8V/180nm CMOS工艺中，原型芯片输入噪声降低至少2.2倍，静态功耗增加不超过29%。

　　

摘要：

基于薄膜晶体管的主动矩阵平板X射线成像仪中，大量的寄生数据线电容（C）限制了模拟前端（AFE）集成电路的噪声性能、带宽和线性。该集成电路通常由一个电荷敏感放大器（CSA）组成，用于处理皮库仑（pC）级别的输入信号，随后再通过一个低通滤波器进行处理。为了减轻这种寄生电容对噪声的不良影响，我们首次为X射线成像仪的AFE开发并实施了两项技术：通过在AFE中引入一个低噪声辅助放大器（AUX），在不显著增加功耗的情况下提升噪声性能。在第一种技术中，我们设计AUX以引入负电容来抵消寄生电容的影响；在第二种技术中，我们设计AUX为CSA提供前馈路径以消除其产生的噪声。在这两种方法中，AUX决定了整个AFE的噪声性能，从而使得CSA可以在较低的带宽、增益误差和线性要求下进行设计。为了验证我们提出的降噪技术的效果，我们展示了一个在1.8伏电源、180纳米混合信号CMOS工艺下的单通道AFE的设计和实验特性。实验结果表明，这两种方法至少可以将输入参考噪声降低倍，而静态功耗的增加幅度不超过29%。

引言

基于薄膜晶体管的主动矩阵平板X射线成像仪在生物医学成像和无损检测领域取得了商业成功，这得益于它们的可扩展性、成熟的制造工艺以及成本效益[1]。在这些系统中，模拟前端（AFE）集成电路的信噪比（SNR）对最终的X射线图像质量有着重要影响。影响AFE SNR、带宽和线性的一个关键因素是成像仪中的大量寄生数据线电容与AFE输入端的电荷敏感放大器（CSA）之间的相互作用。虽然通常可以通过增加CSA的功耗来提高SNR，但这可能会导致系统成本上升，因为需要特殊的封装或增强热管理硬件。因此，我们首次为X射线成像仪的AFE开发并实施了两种电路技术，以减轻大寄生电容对AFE噪声的不良影响，同时仅带来微小的功耗增加。