一种检测电路及射线探测器的制作方法

本申请涉及但不限于弱电流信号检测技术领域，尤指一种检测电路及射线探测器。

背景技术：

目前，光电检测电路已被应用到多个领域，光电检测电路可以将光信号经放大处理后转换为电信号输出。然而，目前的光电检测电路存在较大的噪声干扰，较大程度影响了后续系统的处理效果。

技术实现要素：

本申请实施例提供一种检测电路及射线探测器，可以降低前端放大器的噪声。

一方面，本申请实施例提供一种检测电路，包括：光电二极管以及前端放大器；前端放大器包括：第一运算放大器、第一开关、第二开关以及第一电容；第一开关的两个连接端分别连接第一运算放大器的反相输入端和输出端，第一电容的两端分别连接第一运算放大器的反相输入端和输出端；第二开关的两个连接端分别连接第一运算放大器的反相输入端和光电二极管的正极；光电二极管的负极接地；第一运算放大器的同相输入端接地；在第一开关导通时，第二开关断开；在第一开关断开时，第二开关导通。

另一方面，本申请实施例提供一种射线探测器，包括如上所述的检测电路。

另一方面，本申请实施例提供一种检测电路，包括：光电二极管以及前端放大器；前端放大器包括：第二运算放大器、第二电容、第三电容、第三开关、第四开关、第五开关以及第六开关；光电二极管的正极连接到第二运算放大器的反相输入端；光电二极管的负极接地；第二运算放大器的同相输入端接地；第三开关的两个连接端分别连接第二运算放大器的反相输入端和第三电容的一端，第三电容的另一端连接第二运算放大器的输出端，第四开关的两个连接端分别连接第三电容的两端；第五开关的两个连接端分别连接第二运算放大器的反相输入端和第二电容的一端，第二电容的另一端连接第二运算放大器的输出端，第六开关的两个连接端分别连接第二电容的两端；第三电容的电容值小于四分之一的第二电容的电容值；在第三开关和第六开关导通时，第四开关和第五开关断开；在第四开关和第五开关导通时，第三开关和第六开关断开。

另一方面，本申请实施例提供一种射线探测器，包括如上所述的检测电路。

本申请实施例通过设置由复位信号控制的第一开关和由复位信号的反相信号控制的第二开关，降低前端放大器的噪声。或者，本申请实施例通过设置第二电容和第三电容，并且通过两组开关分别控制第二电容和第三电容，从而降低前端放大器的噪声。

本申请的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请而了解。本申请的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本申请技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，并不构成对本申请技术方案的限制。

图1为一种传统的检测电路的示意图；

图2为本申请实施例提供的一种检测电路的示意图；

图3为本申请实施例提供的另一种检测电路的示意图；

图4为本申请实施例提供的一种射线探测器的示例图。

具体实施方式

下面将结合附图对本申请的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

图1为一种传统的检测电路的示意图。如图1所示，检测电路包括光电二极管(pd，photo-diode)以及前端放大器；其中，前端放大器包括运算放大器、复位开关s以及反馈电容cf；光电二极管的正极连接到运算放大器的反相输入端，光电二极管的负极接地。运算放大器的同相输入端接地。复位开关s的两个连接端分别连接运算放大器的反相输入端和输出端，复位开关s的控制端连接复位信号(rsta)的输入端。反馈电容cf的两端分别连接运算放大器的反相输入端和输出端。换言之，复位开关s和反馈电容cf并联连接到运算放大器的反相输入端和输出端。

其中，当rsta为高电平时，复位开关s导通，反馈电容cf上积累的电荷被释放；当rsta为低电平时，复位开关s断开，光电二极管上的电流在反馈电容cf上积分。

在图1所示的检测电路中，当rsta为高电平复位期间，运算放大器工作在单位负反馈状态，闭环带宽最大，运算放大器的噪声vn体现在光电二极管(pd)的寄生电容cpd上；当rsta为低电平时，运算放大器的噪声vn将被寄生电容cpd采样并转移到反馈电容cf上，于是运算放大器的输出端(vo)的噪声电压将变为：

其中，cpd为光电二极管的寄生电容的电容值；cf为反馈电容的电容值；vn为运算放大器的噪声。

上述噪声电压会被后续的模数转换器以及相关的信号处理系统采样，从而影响后续系统的处理效果。图1所示的检测电路存在以下两个问题：(1)运算放大器工作在单位负反馈时的闭环噪声vn很大；(2)运算放大器的输出端的噪声电压还会被放大，尤其是在cpd与cf的比值很大时。

图2为本申请实施例提供的一种检测电路的示意图。如图2所示，本实施例提供的检测电路包括：光电二极管(pd)以及前端放大器；前端放大器包括：第一运算放大器opa1、第一开关s1、第二开关s2以及第一电容cf1；第一开关s1的两个连接端分别连接第一运算放大器opa1的反相输入端和输出端，第一电容cf1的两端分别连接第一运算放大器opa1的反相输入端和输出端；第二开关s2的两个连接端分别连接第一运算放大器opa1的反相输入端和光电二极管的正极；光电二极管的负极接地；第一运算放大器opa1的同相输入端接地；在第一开关s1导通时，第二开关s2断开；在第一开关s1断开时，第二开关s2导通。本实施例对于光电二极管的类型并不限定。

在一示例性实施例中，在复位信号为高电平时，第一开关s1导通，第二开关s2断开；在复位信号为低电平时，第一开关s1断开，第二开关s2导通。

在一示例性实施例中，检测电路可以包括第一输入端和第二输入端，其中，第一输入端接入复位信号，第二输入端接入复位信号的反相信号。第一开关s1的控制端可以连接第一输入端，第二开关s2的控制端可以连接第二输入端。然而，本申请对此并不限定。

在一示例性实施例中，检测电路可以包括一个输入端以及一个非门，非门的一端连接该输入端，另一端连接第二开关s2的控制端；第一开关s1的控制端连接该输入端；其中，该输入端接入复位信号，并将复位信号分成两路，其中一路通过非门后得到复位信号的反相信号，另一路将复位信号传递到第一开关s1的控制端。

在一示例性实施例中，第一开关s1的控制端接收到高电平时，第一开关s1的两个连接端导通，第一开关s1的控制端接收到低电平时，第一开关s1的两个连接端断开；第二开关s2的控制端接收到高电平时，第二开关s2的两个连接端导通，第二开关s2的控制端接收到低电平时，第二开关s2的两个连接端断开。然而，本申请对此并不限定。在其他实施例中，也可以通过低电平控制开关的导通。

在一示例性实施例中，复位信号可以为脉冲信号。然而，本申请对此并不限定。

相较于图1所示的检测电路，图2所示的检测电路增加了一个由rsta的反相信号控制的第二开关s2。如此一来，当rsta为高电平时，第一运算放大器opa1的噪声vn只会被存储在寄生电容cp(即第一运算放大器opa1的输入端的寄生电容，图2中未绘示出)上。当rsta为低电平时，前端放大器处于积分状态，上述的第一运算放大器opa1的噪声vn会被转移到输出端，则第一运算放大器的输出端的噪声电压将变为：

其中，cp为寄生电容的电容值；cf1为第一电容的电容值；vn为第一运算放大器opa1的噪声。由于cp＜＜cf1，因此，这部分噪声可以忽略。

但是rsta为低电平时，第一运算放大器opa1的噪声以及第二开关s2的噪声vni会存储在光电二极管的寄生电容cpd上，并在下一次积分状态时被转移到第一运算放大器opa1的输出端，则第一运算放大器opa1的输出端的噪声电压将变为：

其中，cpd为光电二极管的寄生电容的电容值；cf1为第一电容的电容值；vni为第一运算放大器opa1的噪声以及第二开关s2的噪声。

其中，在积分状态时前端放大器的闭环带宽为：

其中，gbw为第一运算放大器opa1的增益带宽积。因此，基于图1和图2，在采用相同的运算放大器的情形下，vni＜＜vn，从而采用图2所示的前端放大器输出的噪声要远小于图1所示的前端放大器输出的噪声。

图3为本申请实施例提供的另一种检测电路的示意图。如图3所示，本实施例提供的检测电路包括：光电二极管(pd)以及前端放大器；前端放大器包括：第二运算放大器opa2、第二电容cf2、第三电容cfd、第三开关s3、第四开关s4、第五开关s5以及第六开关s6。本申请对于光电二极管的类型并不限定。

其中，光电二极管的正极连接到第二运算放大器opa2的反相输入端；光电二极管的负极接地；第二运算放大器opa2的同相输入端接地；第三开关s3的两个连接端分别连接第二运算放大器opa2的反相输入端和第三电容cfd的一端，第三电容cfd的另一端连接第二运算放大器opa2的输出端，第四开关s4的两个连接端分别连接第三电容cfd的两端；第五开关s5的两个连接端分别连接第二运算放大器opa2的反相输入端和第二电容cf2的一端，第二电容cf2的另一端连接第二运算放大器opa2的输出端，第六开关s6的两个连接端分别连接第二电容cf2的两端；在第三开关s3和第六开关s6导通时，第四开关s4和第五开关s5断开；在第四开关s4和第五开关s5导通时，第三开关s3和第六开关s6断开。

其中，第三电容cfd的电容值小于四分之一的第二电容cf2的电容值。比如，第三电容cfd的电容值可以为0.25皮法(pf)，第二电容cf2的电容值的取值范围可以为1至32皮法(pf)。然而，本申请对此并不限定。

在一示例性实施例中，检测电路可以包括第三输入端和第四输入端，其中，第三输入端接入复位信号，第四输入端接入复位信号的反相信号。第三开关s3的控制端和第六开关s6的控制端可以连接第三输入端，第四开关s4的控制端和第五开关s5的控制端可以连接第四输入端。然而，本申请对此并不限定。

在一示例性实施例中，检测电路可以包括一个输入端以及一个非门，非门的一端连接该输入端，另一端分别连接第四开关s4的控制端和第五开关s5的控制端；第三开关s3的控制端和第六开关s6的控制端可以连接该输入端；其中，该输入端接入复位信号，并将复位信号分成两路，其中一路通过非门后得到复位信号的反相信号，另一路将复位信号传递到第三开关s3的控制端和第六开关s6的控制端。

在一示例性实施例中，在复位信号为高电平时，第三开关s3和第六开关s6导通，第四开关s4和第五开关s5断开；在复位信号为低电平时，第三开关s3和第六开关s6断开，第四开关s4和第五开关s5导通。

在一示例性实施例中，第三开关s3的控制端接收到高电平时两个连接端导通；第六开关s6的控制端接收到高电平时两个连接端导通；第三开关s3的控制端接收到低电平时两个连接端断开；第六开关s6的控制端接收到低电平时两个连接端断开；第四开关s4的控制端接收到高电平时两个连接端导通；第五开关s5的控制端接收到高电平时两个连接端导通；第四开关s4的控制端接收到低电平时两个连接端断开；第五开关s5的控制端接收到低电平时两个连接端断开。然而，本申请对此并不限定。在其他实施例中，也可以通过低电平控制各个开关的导通。

在一示例性实施例中，复位信号可以为脉冲信号。然而，本申请对此并不限定。

其中，图3所示的检测电路中的第四开关s4闭合时，可以复位第三电容cfd，第六开关s6闭合时，可以复位第二电容cf2。

如图3所示，在本实施例提供的检测电路中，为了进一步降低噪声引入了第三电容cfd，作为伪积分电容，并且保证cfd＜＜cf2。

其中，当rsta为高电平时，第三开关s3和第六开关s6闭合，第四开关s4和第五开关s5断开，前端放大器处于伪积分状态；当rsta为低电平时，第四开关s4和第五开关s5闭合，第三开关s3和第六开关s6断开，前端放大器处于真正的积分状态。如此一来，只会发生伪积分状态存储在光电二极管的寄生电容cpd上的噪声电压vnd在真正积分时转移到第二运算放大器opa2的输出端，则第二运算放大器opa2的输出端的噪声电压将变为：

其中，cpd为光电二极管的寄生电容的电容值；cf2为第二电容的电容值；vnd为伪积分状态时存储的噪声电压。

其中，由于伪积分状态下的前端放大器的闭环带宽为：

其中，gbw为第二运算放大器opa2的增益带宽积。因此，基于图2和图3，在采用相同的运算放大器的情形下，vnd＜＜vni，从而采用图3所示的前端放大器输出的噪声要远小于采用图2所示的前端放大器输出的噪声。

图4为本申请实施例提供的一种射线探测器的示例图。在本示例性实施例中，射线探测器可以包括：至少一个光电二极管、至少一个通道的前端放大器(fe，frontend)、模数转换器(adc，analog-to-digitalconverter)以及数据采集模块。其中，当光电二极管的数目为多个，前端放大器的数目为多个时，多个光电二极管可以组成光电二极管线性阵列，前端放大器和光电二极管一一对应相连。

其中，前端放大器用于将光电二极管输出的电流信号转换成模拟电压信号，且多通道的前端放大器的输出时分复用连接到高速的adc，adc用于将模拟电压信号转换成为数字信号，数据采集模块用于采集数字信号，并对数字信号进行初步处理后传输到电脑上。

其中，前端放大器的电路结构可以如图2或图3所示。然而，本申请对此并不限定。

在一示例性实施例中，当图4中的前端放大器如图2所示时，前端放大器中的第一运算放大器的输出端连接adc的输入端，adc的输出端连接数据采集模块的输入端。

在一示例性实施例中，当图4中的前端放大器如图3所示时，前端放大器中的第二运算放大器的输出端连接adc的输入端，adc的输出端连接数据采集模块的输入端。

在一应用示例中，本实施例提供的射线探测器可以应用于x射线的安检设备中，用于读取x射线并得到x射线的检测图像。其中，通过采用图2或图3所示的前端放大器，可以降低前端放大器的噪声，提高安检设备的动态范围，降低x射线源的总剂量，从而降低整个安检设备的防辐射等级；或者，在不降低x射线源的总剂量的情况下，可以提高整个安检设备的检测精度和分辨率。