高精度CMOS峰值保持电路设计
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关键词： 峰值保持； OTA； CMOS 中图分类号： TL 81 文献标识码： A 文章编号： 0258-0934（ 2011） 09-0958-03
在高能物理实验中，我们需要采用核电子 学的方法对探测器输出的信号进行处理。在能 谱测量中，可以通过测量脉冲的峰值来计算出 我们 所 要 的 物 理 量。本 文 将 介 绍 的 高 精 度 CMOS 峰值保持电路［1 － 3］，用于对经过前放及 滤波成形后的信号进行峰值保持，再由 ADC 对 峰值进行数字化。
图 10 为该电路的版图设计，该版图为四通 道设计。整 个 版 图 面 积 为 1 280 μm * 1 280 μm。本设计采用 chrt0． 35 μm CMOS 工艺进行 设计，采用 3． 3 V 单电源供电。
4 小结
通过分析及仿真我们可以知道，在“写”状 态和“读”状 态 时，由 于 共 用 同 一 个 放 大 器，可 以几乎 消 除 由 于 放 大 器 本 身 产 生 的 误 差，如 offset，CMRR。故 该 结 构 的 峰 值 保 持 电 路 相 对 于传统的峰值保持电路具有更高的精度，大的 输出摆幅及驱动能力。
The Study of Linear Current Extention of PMT
WEI Fu － li，WANG Pei － wei，YUAN Yuan，ZHANG Mei，ZHAO Ji － zhen
（ Northwest Institute of Nuclear Technology，Xi＇an 710024，China，）
摘要： 介绍了一种 CMOS 峰值保持电路。该电路具有精度高，输出摆幅大，驱动能力强等特点。电 路具有两种工作状态： “读”状态和“写”状态。在“写”状态时，通过 OTA 追踪信号，将输入信号峰值存 储到保持电容中。在“读”状态时，将 OTA 连接成单位增益放大器使用，将存储在保持电容上电压值读 出。该工作过程可以有效消除放大器自身 offset 产生的影响，减小误差。通过仿真，该电路在输出幅度 在 400 mV ～ 1． 8V 范围内，误差小于 1% 。本电路采用 Chartered 0． 35 μm 工艺。
960
图 9 误差率仿真结果
图 10 版图设计 （ 下转第 990 页，Continued on page 990）
科学出版社，1994． ［4］管兴胤，张子川，刘君红． 精确测量光电倍增管最大
脉冲线性参数的实验研究［J］． 原子能科学技术， 2009，43（ 7） ： 640 － 643．
［5］潘洪波，欧阳晓平，刘德林，等． 新型超快光电辐射 探测器研制［J］，原子能科学技术，2009，43（ 1） ： 81 － 84．
［2］Gianluigi De Geronimo，Paul O’Connor，Anand Kandasamy． Analog CMOS peak detect and hold circuits．
Part 2． Analysis of the classical configuration［J］． Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A，2002，484： 544 － 556． ［3］彭宇，苏弘，李小刚，等． 一种高速宽带放大与峰值 保持电路的研制［J］． 核电子学与探测技术，2006， 26（ 4） ： 515 － 516． ［4］R． Jacob Baker，Harry W． Li，David E． Boyce 著． CMOS 电路设 计 布 局 与 仿 真［M］． 陈 中 建 译． 北 京： 机械工业出版社，2006．
Βιβλιοθήκη Baidu959
图 5 “读”状态电路时电路简化图
图 7 仿真波形图
图 8 输入、输出幅度对应图
图 6 reset 信号产生时序仿真图
为 5 mV 左右，但误差率降为 1． 2% ，随着输入 信号的进一步增加，误差电压进一步减小，误差 率也相应下降到 1% 之内。当输入信号峰值达 到 3． 1 V 时（ 本电路采用 3． 3 V 电压供电） ，放 大器不能正常工作，电路失效。虽然在小信号 时误差率较大，但我们可以看出在小信号时产 生的误差电压值几乎为一个定值 5 mV 左右， 故我们可以在电路最终应用时对小信号输出电 压进行修正，完全可以使误差率小于 1% 。
图 4 “写”状态电路时电路简化图
3 仿真结果及版图设计
我们采用基线电压为 1． 3 V，上升沿为 300 ns 左右的高斯波形信号作为输入信号进行仿 真。仿真结果如图 7，8，9 所示。通过仿真结果 得到，当输入信号为 50 mV 左右时，误差电压 为 6 mV，误差率为 11． 54% ，随着输入信号的增 加，当输入信号增加到 450 mV 时，误差电压仍
收稿日期： 2011 － 5 － 16 作者简介： 吕继方（ 1983 － ） ，男，博士研究生，研究方 向： 核电子学专用集成电路设计。
958
明，该放大器能够满足我们对输入信号上升沿 的要求。
2 电路工作原理
该电 路 工 作 时 分 为 两 种 状 态———“写 ”状 态和“读”状态。
（ 1） “写”状态 当输入信号到来时，输入信号接入一甄别 器，设定该甄别器的阈值 Vref ，输入信号过阈则 认为该信号为有效信号，触发峰值保持电路进 入“写”状态。此时开关 S3，S4 及 S5 打开，开 关 S1 和 S2 闭合，此时电路可简化为如图 4 所 示结构，在“写”状态时，M0 导通，M0 和 M1 构成 的电流镜有电流流过，该电流对保持电容 Ch 进 行充电，电容 Ch 上电压追踪输入电压变化，当 输入电压达到最大值时，开始下降，而保持电容 C h 上的电压跟 踪 到 输 入 电 压 达 到 最 大 值 后，由 于没有泄放通路，而保持不变。保持电容连接 到放大器的正输入端，故此时放大器的正输入 端电压值大于负输入端电压，放大器的输出电 压迅速变大，当放大器输出电压 Vg 大于参考电 压 Vref2 时，比较器发生翻转，从而使 D2 触发器 发生翻转，控制开关 S1 和 S2 打开，开关 S3，S4
Abstract： It describes a high － precision CMOS peak detect and hold circuit． The circuit has characteristics of high precision ，wide output voltage range and high driving capability ． There are two working phases，write phase and read phase． In write phase，the amplifier tracks the input signal，and when the input starts to fall， it puts the peak voltage into a capacitor． In read phase，it turns the amp into a unitygain buffer，and then reads out the peak voltage． The offset error of the amplifier does not contribute to the linearity． Simulation results show the error is less than 1% in the output voltage range from 400 mV to 1． 8 V． The circuit will be taped out using the chartered 0． 35 μm CMOS process． Key words： Peak detect ，OTA，CMOS
（ 上接第 960 页，Continued from page 960）
参考文献：
［1］Gianluigi De Geronimo，Paul O’Connor，Anand Kandasamy． Analog CMOS peak detect and hold circuits． Part 1． Analysis of the classical configuration［J］． Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A，2002，484： 533 － 543．
图 2 放大器的基本结构
图 3 放大器幅频和相频仿真曲线图
（ 2） “读”状态 “读”状 态 时，开 关 S1 和 S2 打 开，开 关 S3，S4 及 S5 闭合，此时电路可简化为如图 5 所 示结构。开关 S5 闭合，可以保证电流镜几乎不 工作，只有非常小的漏电流通过 M1 流进保持 电容上，对检测到的峰值电压 Vh 的影响很小。 如图 5 所示，在“读”状态，放大器连接成单位 增益形式，将峰值电压进行读出。当每次“写” 状态和“读”状态完成后，可以由外部给出 CDN
及 S5 闭合。
图 1 电路整体结构
信号，对 整 个 电 路 进 行 reset，控 制 开 关 S6 闭 合，使保持电容上电压等于 VB （ VB 的大小一般 设置为小于等于输入信号的基线电压值） ，完 成对整个电路的 reset，直至下个有效信号到来 为止。当下个有效信号到来时，促使 D1 触发 器发生 翻 转，断 开 开 关 S6，使 整 个 电 路 进 入 “写”状态。如果两次 CDN 之间到来多个有效 输入信号，该电路只对第一个到来的信号进行 保持，仿真结果如 6 所示。
A High － Precision CMOS Peak Detect and Hold Circuit
LV Ji － fang1，2 ，LIU Zhen － an1 ，WANG Zheng1 ，YAN Xiong － bo1，2 ，WEI Wei1
（ 1． I nstitute of High Energy Physics，CAS，Beijing，100049，2． Graduate University of CAS，Beijing，100049）
1 电路基本结构
单通道的电路结构如图 1 所示，它由放大 器，比较器，D 触发器，电流镜以及六个开关等 组成。放大器的结构如图 2 所示，该结构为一 个跨导放 大 器［4］，能 够 提 供 较 大 的 输 出 摆 幅， 能够驱动较大的容性负载。该电路可对前沿不 小于 100 ns 的高斯脉冲进行峰值保持，精度可 达 1% 左右。对于该结构的峰值保持电路，放 大器的带宽越大，电路工作越稳定且能保持的 信号上升沿越快。通过仿真我们得到该放大器 的幅频和相频曲线如图 3 所示。仿真结果表
第 31 卷 第 9 期 2011 年 9 月
核电子学与探测技术 Nuclear Electronics ＆ Detection Technology
Vol． 31 No． 9 Sept． 2011
高精度 CMOS 峰值保持电路设计
吕继方1，2 ，刘振安1 ，王 铮1 ，严雄波1，2 ，魏 微1
（ 1． 中国科学院高能物理研究所，北京 100049； 2． 中国科学院研究生院，北京 100049）
Abstract： The working principle of photomultiplier tube is introduced，and the methods for increasing linear current that used currently is also introduced． With applied of DPO（ Digital － Processing Oscilloscope） and the data processing technology，we introduced a new way to improve the maximum linear current of PMT through digital adjusting of experiment data． The maximum linear current is increased by a factor of 6 inexperiment． Key words： photomultiplier － tubelinear current，nonlinear adjustment
在高能物理实验中，我们需要采用核电子 学的方法对探测器输出的信号进行处理。在能 谱测量中，可以通过测量脉冲的峰值来计算出 我们 所 要 的 物 理 量。本 文 将 介 绍 的 高 精 度 CMOS 峰值保持电路［1 － 3］，用于对经过前放及 滤波成形后的信号进行峰值保持，再由 ADC 对 峰值进行数字化。
图 10 为该电路的版图设计，该版图为四通 道设计。整 个 版 图 面 积 为 1 280 μm * 1 280 μm。本设计采用 chrt0． 35 μm CMOS 工艺进行 设计，采用 3． 3 V 单电源供电。
4 小结
通过分析及仿真我们可以知道，在“写”状 态和“读”状 态 时，由 于 共 用 同 一 个 放 大 器，可 以几乎 消 除 由 于 放 大 器 本 身 产 生 的 误 差，如 offset，CMRR。故 该 结 构 的 峰 值 保 持 电 路 相 对 于传统的峰值保持电路具有更高的精度，大的 输出摆幅及驱动能力。
The Study of Linear Current Extention of PMT
WEI Fu － li，WANG Pei － wei，YUAN Yuan，ZHANG Mei，ZHAO Ji － zhen
（ Northwest Institute of Nuclear Technology，Xi＇an 710024，China，）
摘要： 介绍了一种 CMOS 峰值保持电路。该电路具有精度高，输出摆幅大，驱动能力强等特点。电 路具有两种工作状态： “读”状态和“写”状态。在“写”状态时，通过 OTA 追踪信号，将输入信号峰值存 储到保持电容中。在“读”状态时，将 OTA 连接成单位增益放大器使用，将存储在保持电容上电压值读 出。该工作过程可以有效消除放大器自身 offset 产生的影响，减小误差。通过仿真，该电路在输出幅度 在 400 mV ～ 1． 8V 范围内，误差小于 1% 。本电路采用 Chartered 0． 35 μm 工艺。
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图 9 误差率仿真结果
图 10 版图设计 （ 下转第 990 页，Continued on page 990）
科学出版社，1994． ［4］管兴胤，张子川，刘君红． 精确测量光电倍增管最大
脉冲线性参数的实验研究［J］． 原子能科学技术， 2009，43（ 7） ： 640 － 643．
［5］潘洪波，欧阳晓平，刘德林，等． 新型超快光电辐射 探测器研制［J］，原子能科学技术，2009，43（ 1） ： 81 － 84．
［2］Gianluigi De Geronimo，Paul O’Connor，Anand Kandasamy． Analog CMOS peak detect and hold circuits．
Part 2． Analysis of the classical configuration［J］． Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A，2002，484： 544 － 556． ［3］彭宇，苏弘，李小刚，等． 一种高速宽带放大与峰值 保持电路的研制［J］． 核电子学与探测技术，2006， 26（ 4） ： 515 － 516． ［4］R． Jacob Baker，Harry W． Li，David E． Boyce 著． CMOS 电路设 计 布 局 与 仿 真［M］． 陈 中 建 译． 北 京： 机械工业出版社，2006．
Βιβλιοθήκη Baidu959
图 5 “读”状态电路时电路简化图
图 7 仿真波形图
图 8 输入、输出幅度对应图
图 6 reset 信号产生时序仿真图
为 5 mV 左右，但误差率降为 1． 2% ，随着输入 信号的进一步增加，误差电压进一步减小，误差 率也相应下降到 1% 之内。当输入信号峰值达 到 3． 1 V 时（ 本电路采用 3． 3 V 电压供电） ，放 大器不能正常工作，电路失效。虽然在小信号 时误差率较大，但我们可以看出在小信号时产 生的误差电压值几乎为一个定值 5 mV 左右， 故我们可以在电路最终应用时对小信号输出电 压进行修正，完全可以使误差率小于 1% 。
图 4 “写”状态电路时电路简化图
3 仿真结果及版图设计
我们采用基线电压为 1． 3 V，上升沿为 300 ns 左右的高斯波形信号作为输入信号进行仿 真。仿真结果如图 7，8，9 所示。通过仿真结果 得到，当输入信号为 50 mV 左右时，误差电压 为 6 mV，误差率为 11． 54% ，随着输入信号的增 加，当输入信号增加到 450 mV 时，误差电压仍
收稿日期： 2011 － 5 － 16 作者简介： 吕继方（ 1983 － ） ，男，博士研究生，研究方 向： 核电子学专用集成电路设计。
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明，该放大器能够满足我们对输入信号上升沿 的要求。
2 电路工作原理
该电 路 工 作 时 分 为 两 种 状 态———“写 ”状 态和“读”状态。
（ 1） “写”状态 当输入信号到来时，输入信号接入一甄别 器，设定该甄别器的阈值 Vref ，输入信号过阈则 认为该信号为有效信号，触发峰值保持电路进 入“写”状态。此时开关 S3，S4 及 S5 打开，开 关 S1 和 S2 闭合，此时电路可简化为如图 4 所 示结构，在“写”状态时，M0 导通，M0 和 M1 构成 的电流镜有电流流过，该电流对保持电容 Ch 进 行充电，电容 Ch 上电压追踪输入电压变化，当 输入电压达到最大值时，开始下降，而保持电容 C h 上的电压跟 踪 到 输 入 电 压 达 到 最 大 值 后，由 于没有泄放通路，而保持不变。保持电容连接 到放大器的正输入端，故此时放大器的正输入 端电压值大于负输入端电压，放大器的输出电 压迅速变大，当放大器输出电压 Vg 大于参考电 压 Vref2 时，比较器发生翻转，从而使 D2 触发器 发生翻转，控制开关 S1 和 S2 打开，开关 S3，S4
Abstract： It describes a high － precision CMOS peak detect and hold circuit． The circuit has characteristics of high precision ，wide output voltage range and high driving capability ． There are two working phases，write phase and read phase． In write phase，the amplifier tracks the input signal，and when the input starts to fall， it puts the peak voltage into a capacitor． In read phase，it turns the amp into a unitygain buffer，and then reads out the peak voltage． The offset error of the amplifier does not contribute to the linearity． Simulation results show the error is less than 1% in the output voltage range from 400 mV to 1． 8 V． The circuit will be taped out using the chartered 0． 35 μm CMOS process． Key words： Peak detect ，OTA，CMOS
（ 上接第 960 页，Continued from page 960）
参考文献：
［1］Gianluigi De Geronimo，Paul O’Connor，Anand Kandasamy． Analog CMOS peak detect and hold circuits． Part 1． Analysis of the classical configuration［J］． Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A，2002，484： 533 － 543．
图 2 放大器的基本结构
图 3 放大器幅频和相频仿真曲线图
（ 2） “读”状态 “读”状 态 时，开 关 S1 和 S2 打 开，开 关 S3，S4 及 S5 闭合，此时电路可简化为如图 5 所 示结构。开关 S5 闭合，可以保证电流镜几乎不 工作，只有非常小的漏电流通过 M1 流进保持 电容上，对检测到的峰值电压 Vh 的影响很小。 如图 5 所示，在“读”状态，放大器连接成单位 增益形式，将峰值电压进行读出。当每次“写” 状态和“读”状态完成后，可以由外部给出 CDN
及 S5 闭合。
图 1 电路整体结构
信号，对 整 个 电 路 进 行 reset，控 制 开 关 S6 闭 合，使保持电容上电压等于 VB （ VB 的大小一般 设置为小于等于输入信号的基线电压值） ，完 成对整个电路的 reset，直至下个有效信号到来 为止。当下个有效信号到来时，促使 D1 触发 器发生 翻 转，断 开 开 关 S6，使 整 个 电 路 进 入 “写”状态。如果两次 CDN 之间到来多个有效 输入信号，该电路只对第一个到来的信号进行 保持，仿真结果如 6 所示。
A High － Precision CMOS Peak Detect and Hold Circuit
LV Ji － fang1，2 ，LIU Zhen － an1 ，WANG Zheng1 ，YAN Xiong － bo1，2 ，WEI Wei1
（ 1． I nstitute of High Energy Physics，CAS，Beijing，100049，2． Graduate University of CAS，Beijing，100049）
1 电路基本结构
单通道的电路结构如图 1 所示，它由放大 器，比较器，D 触发器，电流镜以及六个开关等 组成。放大器的结构如图 2 所示，该结构为一 个跨导放 大 器［4］，能 够 提 供 较 大 的 输 出 摆 幅， 能够驱动较大的容性负载。该电路可对前沿不 小于 100 ns 的高斯脉冲进行峰值保持，精度可 达 1% 左右。对于该结构的峰值保持电路，放 大器的带宽越大，电路工作越稳定且能保持的 信号上升沿越快。通过仿真我们得到该放大器 的幅频和相频曲线如图 3 所示。仿真结果表
第 31 卷 第 9 期 2011 年 9 月
核电子学与探测技术 Nuclear Electronics ＆ Detection Technology
Vol． 31 No． 9 Sept． 2011
高精度 CMOS 峰值保持电路设计
吕继方1，2 ，刘振安1 ，王 铮1 ，严雄波1，2 ，魏 微1
（ 1． 中国科学院高能物理研究所，北京 100049； 2． 中国科学院研究生院，北京 100049）
Abstract： The working principle of photomultiplier tube is introduced，and the methods for increasing linear current that used currently is also introduced． With applied of DPO（ Digital － Processing Oscilloscope） and the data processing technology，we introduced a new way to improve the maximum linear current of PMT through digital adjusting of experiment data． The maximum linear current is increased by a factor of 6 inexperiment． Key words： photomultiplier － tubelinear current，nonlinear adjustment