原创 比较器检测模拟脉冲说明(一)

2024-10-7 11:22 320 1 1 分类: 医疗电子 文集: SiPM(MPPC)测试


概述


SiPM读出测试系统目前已经迭代到了第四和第五代,未来还会向第六代、第七代演进。四代与五代迭代目的是为了选择合适的比较器,原型验证不比AISC设计,只能从当前市场上寻找并选择合适的比较器,然而,当前市面上适合使用的高速比较器产品较少。


比较器的选型,后面再讨论,本文开始初步说明比较器检测脉冲的即便原理,即基于前一篇《四代SiPM读出系统规划及基于SiPM的PET概览》有关时间涨落起伏说起。


高速比较器工作原理简述


高速比较器工作原理基于差分放大器与输出级组合,通过输入信号与参考电压的比较来控制输出信号的状态。差分放大器是电压比较器的核心部分,它由一个差动放大电路构成。差分放大器有两个输入端口(正输入端口和负输入端口),分别输入两个待比较的电压信号VIN+和VIN-。


而对于SiPM读出测试系统,比较器用于模拟脉冲的快速检出。所以模拟信号被引入到比较器的正输入端口,而参考电压则引入比较器的负输入端口(如果是检测负极性脉冲,也可以反过来连接)。图1中虚线展示的是参考阈值(从比较器负输入端口接入),而实线三角脉冲(从比较器正输入端口接入)则演示了待测模拟脉冲。实际测试的时候,由于可能需要依据情况调整参考电压,所以参考阈值一般由高精度DAC控制。


模拟脉冲检出后,比较器输出级会产生并输出标准的矩形方波,该标准的矩形方波可以方便后续TDC对其上升沿到达时间的测量。

图1:比较器工作原理演示


SiPM(MPPC)对光信号的探测


如图2所示,SiPM可以对多个光子同时检测输出单一的电信号。所以比较器处理的输入模拟脉冲来自于多个光子源,也即信号内部可以看出多个光子元素合并而成的单个模拟脉冲,如图3所示,展示了不同光子数电荷经过转换后对应的能量或幅度值。滨松对此有了详细解释,SiPM(MPPC)由多个工作在盖革模式的APD串联淬灭电阻组成。首先,APD(Avalanche Photo Diode,雪崩光电二极管)是一种具有高速度、高灵敏度的光电二极管,当加有一定的反向偏压后,它就能对光电流进行雪崩放大。光生载流子通过倍增就会产生一个大的光脉冲,而通过对这个脉冲的检测,就可以检测到单光子。将盖革模式下的APD上连接一个淬灭电阻作为1个像素,就构成了MPPC的基本单元,而它输出的总和也构成了MPPC的输出,后则根据该输出进行光子计数或者信号强度的测量。


图2:SPPC与MPPC的差异


图3:MPPC输出信号(pe这里滨松给出的解释是“光子等效”)


实际测量的时候参考阈值的设置对于脉冲检出来说并无特殊要求,但是为了获得最佳的CRT(Coincidence Resolving Time)(也称为CTR,Coincidence Time Resolution),如图1展示的,需要将参考阈值设置的越低越好。图3为滨松公司测量得到不同光子数量,SiPM测量输出的脉冲信号,而图4则为SST实际SiPM读出测试系统比较器实际检测输入并给出输出方波。


SST已经在三代SiPM读出测试系统中开展了符合测试,表1结果则是在六代读出系统测量并记录的结果。表1第一列是不同的参考阈值设定值,第二列是不同参考阈值对应的CTR测量结果代码。测试条件SiPM的偏置电压是42.46V,测量结果代码由TDC直接给出的时间戳在离线统计两个读出测试板的时间差的FWHM得来。TDC的平均LSB为7.8ps,所以表1中最佳CTR值为298ps。


表1:不同参考阈值下测量得到的CTR码

参考阈值设置

Vbias=42.46V, VBE=1.6V

20mV

89

10mV

63

4mV

45.37

2mV

39.48

1.8mV

39.259

1.5mV

39.0222

1.2mV

38.252

0.9mV

64.88


从表1的结果,可以明显看出,阈值越低,CRT的结果越好,在1.2mV的时候获得了最优结果。继续降低阈值到0.9mV测量结果急剧变差,这是由于阈值水平已经触及到了待测信号的噪声基线,特别是SiPM的暗脉冲此时被大量检出。


图4:实测比较器的输出与输入信号


参考

[1] Development of Multi-Channel Fast SiPM Readout Electronics for Clinical TOF PET Detector

[2] MAXIM, Dual ECL and Dual/Quad PECL, 500ps, Ultra-High-Speed Comparators

作者: coyoo, 来源:面包板社区

链接: https://mbb.eet-china.com/blog/uid-me-1010859.html

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