原创 三代SiPM读出测试板振铃问题记录

概述

如图1所示，SiPM读出电路中关键元素之一的时间支路将前端模拟脉冲转化为数字脉冲输出。比较器用于检出有用的脉冲，其两个输入分别来自前端模拟输出和DAC供给的直流参考电平。

版本3与版本2在此电路设计上并未有改动，三代硬件为我们提高了稳定的条件可以进行全面的测试，在测试过程中，发现电路会产生振铃现象。本文主要记录振铃发生的场景、条件，并分析总结振铃产生的原因，同时给出未来硬件优化方案。

图1：脉冲检出电路

示波器测量振铃记录（带探测器与辐射源）

首先使用示波器2个通道分别测量记录了前端模拟信号位于不同点信号质量，这两个测试点分别位于极零相消的前后。进入示波器的信号经由SMB插座和电缆接入示波器的通道1和通道4，通过CAN总线发布命令控制DAC给予比较器施加不同的比较阈值，测量结果分别记录如下。

图2：DAC阈值设置高于等于11mV的时候示波器两通道基线很干净

图3：DAC阈值设置为10mV的时候，示波器测量结果在基线上偶尔会出现振铃

图4：DAC阈值设置为9mV，相比图3（即10mV阈值）振铃出现频率更高

图5：DAC阈值设置为8mV，振铃出现频率更高，且振铃发生时间更长

图6：DAC阈值设置为7mV，振铃几乎布满整个时域

图7：DAC阈值设置为6mV，此时振铃已经布满整个时域

第三代SiPM读出硬件，总共有生产多块板子，上述测量显示振铃发生于10mV阈值开始并设置往下，其它板子也进行了类似测量，有些板子振铃发生起始于11mV。

示波器测量振铃记录（移除探测器与辐射源）

前面测量采用了探测器与辐射源，将探测器和辐射源移除，重复上述测试。该测试目的是看看在无探测器和辐射源的情况下，DAC阈值设置到多低下才会发生振铃。如图8和图9所示，当DAC阈值高于6mV的时候测量基线很干净，当阈值低于等于6mV的时候，开始出现振铃。

图8：DAC阈值高于6mV的时候信号基线很干净

图9：DAC阈值设置低于或等于6mV后，基线开始出现振铃

调整示波器时域刻度，并调整DAC阈值，可以观测到振铃现象如图10所示，在高频振铃中叠加了低频波形。

图10：高频振铃叠加低频载波

在上述测量基础上，引入第三个示波器通道

上述测量中，示波器通道1和通道4分别测量了比较器输入信号，这里引入示波器通道3，用来测量比较器的输出信号。

图11：DAC阈值设置为10mV

图12：DAC阈值设置为5mV

振铃原因分析

SiPM阵列为4x4总共16个通道，图9和图10的测量虽然移除了探测器和辐射源，但是DAC的阈值同时施加在所有16个通道。如果一个一个通道施加低阈值那么可以发现，当只有少量通道施加了低阈值的时候，振铃并不会发生。甚至哪怕给16个通道中的14个通道同时施加低阈值时也不会产生振铃，只有当通道0与通道15（即第一个和最后一个通道）被施加了低阈值的时候，振铃就会出现。

根据上述测试，所有通道都经过单独验证，发现所有通道都可以被单独施加低阈值且无振铃发生，只有通道0和通道15单独施加低阈值时出现振铃。如图13所示，其它通道单独施加低阈值的时候，比较器输出很干净（图左），只有通道0和通道15在阈值设置到5mV时候，就会出现图13右侧所示的振铃。

图13：单通道被施加1mV阈值

根据上述测量，检查所有16个通道电路走线，发现确实只有通道0和通道15与其它通道之间存在些微差异，如图14所示。

图14：通道0和通道15比较器输出走线过于靠近PCB边沿

振铃的产生应该是综合因素造成，板子布局布线可以产生负面影响，还应考虑其它方面因素，比如高速走线阻抗匹配、信号发送和接收侧端接等。