CN104407373A - 辐射探测电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种辐射探测电路，包括：辐射感应探测器，所述辐射感应探测器为用于感测待测辐射的PMOS晶体管；电流控制器，用于控制所述辐射感应探测器中通过的电流大小；信号放大器，用于放大所述辐射感应探测器的输出；比较放大器，用于将信号放大器的输出与参考信号进行比较，将比较产生的差值放大后输出。本发明通过使用恒定电流源将由辐射敏感PMOS管所产生的电流，转换为阈值电压的变化，经放大器比较读出后能直接得到辐射的总剂量，不仅简便易行，且电路结构简单，无多余的耗电元件，与现有技术相比极大地降低了功耗。

Description

辐射探测电路

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种辐射探测电路。 

背景技术

在太空中，很多电子设备都会暴露在一定的辐射环境下。为了保证这些电子设备的可靠性，对总剂量辐射的检测很有必要。因为一旦辐射总剂量超过某一额度，就会导致电子系统的失效。 

现有的辐射探测电路主要包括由特定工艺制成的辐射敏感场效应晶体管。由于辐射后产生的氧化物陷阱与界面陷阱电荷使得MOSFET阈值电压发生漂移。通过标定阈值电压漂移量与辐照剂量的关系，测出阈值电压漂移量得到辐射剂量的大小。一般说来，NMOS辐射后，氧化物陷阱电荷使其阈值电压发生负向漂移，但是界面电荷使其阈值电压发生正向漂移；PMOS辐射后产生的氧化物陷阱电荷和界面电荷都使得其阈值电压负向漂移，因此大部分的总剂量辐射探测电路一般采用PMOS场效应晶体管作为总剂量辐射探测器。 

由上述原理可知，可以根据pMOS晶体管阈值电压产生的变化设计出电路，使之能够反映出所受总剂量辐射环境的大小。如图1所示，为现有技术的探测电路示意图，该读出电路由五个主要的模块构成，即辐射敏感晶体管、电流控制振荡器、有限状态机、N位移位寄存器。其能够将感测的辐射转化为数字信号输出。因此这个探测电路为了满足某些数字自动化系统而过于复杂。但是在一般的应用中,并不需要AD转换。 

因此，希望提出一种能应用在实验室中，较为简单的pMOS总剂量辐射监测电路。 

发明内容

本发明的一个目的在于提供结构更简单、功耗更低的辐射探测电路。 

根据本发明的一个实施例，提供了一种辐射探测电路，包括：辐射感应探测器，所述辐射感应探测器为用于感测待测辐射的PMOS晶体管；电流控制器，用于控制所述辐射感应探测器中通过的电流大小；信号放大器，用于放大所述辐射感应探测器的输出；比较放大器，用于将信号放大器的输出与参考信号进行比较，将比较产生的差值放大后输出。 

可选地，所述信号放大器是运算放大器，所述PMOS晶体管的源极连接所述电流控制器的输出和所述信号放大器的共模输入端，所述PMOS晶体管的栅极连接所述信号放大器的差模输入端，所述PMOS晶体管的漏极接地。 

可选地，所述电流控制器包括恒定电流源，用于使所述PMOS晶体管的源极流入的电流保持不变。 

可选地，所述PMOS晶体管工作于饱和区。 

可选地，所述比较放大器是运算放大器，所述比较放大器的共模输入端连接信号放大器的的输出，所述比较放大器的差模输入端连接参考信号，所述比较放大器的输出反映辐射探测结果。 

可选地，所述参考信号是参考电压，所述参考电压设置成无辐射时信号放大器的输出电压。 

本发明利用PMOS辐射后产生的氧化物陷阱电荷和界面电荷都使得阈值电压负向漂移的特点，利用阈值电压漂移量与辐照剂量的关系，在电流控制器控制PMOS中通过的电流大小的情况下，PMOS晶体管的输出即为与待测辐射成一定关系的信号，该信号放大后与标准的参考信号比较，就可以从比较输出中得出待测辐射。本发明的发明人发现，不通过现有技术的AD转换方法，而是采用这样的简单设计的模拟电路，仍然能够实现探测待测辐射的目的，达到了以更简单的辐射、更低的功耗探测辐射的效果。与现有技术相比，不仅简便易行，且电路结构简单，无多余的耗电元件，极大地降低了功耗。 

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显。 

图1为现有技术的PMOS总剂量辐探测电路示意图； 

图2根据本发明的实施例的辐射探测电路的结构图。 

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例。 

所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。 

本发明提供了一种低功耗PMOS辐射探测电路。下面，将通过本发明的一个实施例对图2所示的辐射探测电路进行具体描述。如图2所示，本发明所提供的辐射探测电路包括以下结构：辐射感应探测器M1，所述辐射感应探测器M1为用于感测待测辐射的PMOS晶体管；电流控制器21，用于控制所述辐射感应探测器中通过的电流大小；信号放大器A1，用于放大所述辐射感应探测器的输出；比较放大器A2，用于将信号放大器的输出与参考信号进行比较，将比较产生的差值放大后产生输出22。 

在一个实施例中，所述信号放大器A1是运算放大器，所述PMOS晶体管的源极连接所述电流控制器21的输出和所述信号放大器A1的共模输入端，所述PMOS晶体管的栅极连接所述信号放大器的差模输入端，所述PMOS晶体管的漏极接地。但信号放大器也可以是其它放大器。由于辐射感应探测器虽然能将待测辐射转换成电压、电流等电信号，但此信号太小，必须经过放大才能测量，因此可以采用本领域知悉的其它放大器，只要能放大电信号即可。采用运算放大器具有电路简单、测量精确的优点。 

在一个实施例中，所述电流控制器21包括恒定电流源，用于使所述PMOS晶体管的源极流入的电流保持不变。但电流控制器也可以是其它电流控制元件。 

在一个实施例中，所述PMOS晶体管工作于饱和区。 

在一个实施例中，所述比较放大器A2是运算放大器，所述比较放大器的共模输入端连接信号放大器的的输出，所述比较放大器的差模输入端连接参考信号23，所述比较放大器的输出反映辐射探测结果。但也可以采用其它的比较放大器，例如多个器件组成的用于产生比较输出的模拟电路。采用运算放大器具有结构简单、测量精确的优点。 

在一个实施例中，所述参考信号是参考电压，所述参考电压设置成无辐射时信号放大器的输出电压。 

下面对详细结构进行具体介绍。 

所述辐射感应探测器主要是由特定工艺制成的辐射敏感场效应晶体管。由于辐射后产生的氧化物陷阱与界面陷阱电荷使得MOSFET阈值电压发生漂移。通过标定阈值电压漂移量与辐照剂量的关系，测出阈值电压漂移量得到辐射剂量的大小。一般说来，NMOS辐射后，氧化物陷阱电荷使其阈值电压发生负向漂移，但是界面电荷使其阈值电压发生正向漂移；PMOS辐射后产生的氧化物陷阱电荷和界面电荷都使得其阈值电压负向漂移，这就是一般采用PMOS场效应晶体管作为总剂量辐射探测器的原因。 

辐射后，处于饱和区的PMOS的阈值电压产生负向漂移，根据PMOS晶体管饱和区的电流公式： 

根据PMOS晶体管饱和区的电流公式： 

$I_D=-\frac{1}{2}{\mathrm{\μ}}_P{C}_{\mathrm{OX}}\frac{W}{L}{(V_{\mathrm{GS}}-V_{\mathrm{TH}})}^2$

其中，I_D表示PMOS管的源漏电流，μ_P表示PMOS中空穴的迁移率，W和L分别表示PMOS管的宽和长，C_OX表示栅氧电容，V_GS表示栅源电压，V_TH是阈值电压。 

在流过M1的电流保持不变的情况下，由于辐射导致PMOS的阈值电压负向漂移，PMOS的栅源电压因此而变化，在正常情况下，栅源电压恰好等于参考电压值。辐射后，根据上面电流公式，PMOS管M1的栅源电压绝对 值将会增大，通过运算放大器A1将这个值放大A1倍，再和没有经过辐射的参考电压进行比较，之间的差值再经过运算放大器A2进行输出。 

本领域技术人员可根据需要选择所需的信号放大器A1和比较放大器A2，并设计相关参数，来设定一定的放大倍数差分信号进行放大并输出。所述参考电压设置成无辐射时信号放大器的输出电压，即无辐射时PMOS晶体管的栅源电压经信号放大器A1放大后的电压。比较放大器A2的输出反映的是信号放大器A1实际输出的电压与参考电压的差。由于参考电压是无辐射时信号放大器的输出电压，因此该差实际上反映的是栅源电压的变化，这样就得出了阈值电压的变化，最终求出待测辐射的大小。 

与现有技术相比，采用本发明提供的技术方案具有如下优点：将pMOS阈值电压的变化引起的电流的变化，最终再反映到电压的变化；通过计量最终放大后的电压的变化，根据电路设计的放大倍数，计算出pMOS阈值电压的改变，最终求出总剂量辐射的大小。与现有技术相比，不仅简便易行，且电路结构简单，无多余的耗电元件，极大地降低了功耗。 

另外，本发明的信号放大器和比较放大器等也可以放大电流而非电压。通过将栅源电压转换为电流并放大，同样能得到探测待测辐射的效果。 

虽然上面结合实施例详细说明了本发明及其优点，应当理解在不脱离本发明的精神和所附权利要求限定的保护范围的情况下，可以对这些实施例进行各种变化、替换和修改。对于其他例子，本领域的普通技术人员应当容易理解在保持本发明保护范围内的同时，工艺步骤的次序可以变化。 

此外，本发明的应用范围不局限于说明书中描述的特定实施例的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法及步骤。从本发明的公开内容，作为本领域的普通技术人员将容易地理解，对于目前已存在或者以后即将开发出的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤，其中它们执行与本发明描述的对应实施例大体相同的功能或者获得大体相同的结果，依照本发明可以对它们进行应用。因此，本发明所附权利要求旨在将这些工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤包含在其保护范围内。 

Claims (6)

1.一种辐射探测电路，包括：

辐射感应探测器，所述辐射感应探测器为用于感测待测辐射的PMOS晶体管；

电流控制器，用于控制所述辐射感应探测器中通过的电流大小；

信号放大器，用于放大所述辐射感应探测器的输出；

比较放大器，用于将信号放大器的输出与参考信号进行比较，将比较产生的差值放大后输出。

2.根据权利要求1所述的辐射探测电路，其特征在于，所述信号放大器是运算放大器，所述PMOS晶体管的源极连接所述电流控制器的输出和所述信号放大器的共模输入端，所述PMOS晶体管的栅极连接所述信号放大器的差模输入端，所述PMOS晶体管的漏极接地。

3.根据权利要求2所述的辐射探测电路，其特征在于，所述电流控制器包括恒定电流源，用于使所述PMOS晶体管的源极流入的电流保持不变。

4.根据权利要求1所述的辐射探测电路，其特征在于，所述PMOS晶体管工作于饱和区。

5.根据权利要求1所述的辐射探测电路，其特征在于，所述比较放大器是运算放大器，所述比较放大器的共模输入端连接信号放大器的的输出，所述比较放大器的差模输入端连接参考信号，所述比较放大器的输出反映辐射探测结果。

6.根据权利要求1所述的辐射探测电路，其特征在于，所述参考信号是参考电压，所述参考电压设置成无辐射时信号放大器的输出电压。