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    2024-3-13 16:48
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    极零相消电路测试
    极零相消电路的硬件配置需要根据前端信号源输出电容来确定,根据我们的系统大致测算前端输出电容的充放电时间常数在40~50ns之间。所以最开始选用的配置是3.3nF和15欧姆。经过不管迭代检测,最终确定为220pF和220欧姆。如下图所示,经过PZC电路后,系统基线起伏调理到1.2mV左右。基线水面上的脉冲信号是否都是实际有用信号呢?实际应该还存在多光子叠加的暗脉冲,当前SiPM的暗电流无法做的很小,导致正常工作条件下暗脉冲很多,很容易产生堆叠,并被系统确认识别为有用信号。这种情况其实系统还是可以在后期进行再次识别并检出。对于系统无法忍受的是这种暗脉冲和有用脉冲产生堆叠(pile-up),所以PZC除了条件基线,抹平基线起伏以外,还可以减少暗脉冲与实际有用脉冲之间的堆叠。 那么为何说PZC可以减少有用脉冲与暗脉冲之间堆叠呢?我们看到有用脉冲实际脉宽在200ns多一点,这是每个单一脉冲占用时域的宽度,由于实际应用中快信号,我们关注的只是脉冲信号的上升沿,并不在意脉冲的宽度,这个时候,可以通过减小脉冲宽度的方法来减小脉冲信号的时域占比。从而减小了脉冲与暗脉冲堆叠的可能性。 在上述电路的基础上,为了发掘不同PZC配置的差异,开展了几个测试: 1. Cpz修改为10pF,根据时间常数调整Rpz为4.99k,测试结果如下图所示 上图显示脉冲出现尖顶,但是并未被挤压到底,为了尝试看看是否能将尖顶同比例压缩到底,保持Cpz不变的情况改变Rpz。 2. Rpz=3k时,如下图所示 通过比较可以看出电阻改小的方向时不对,为了验证,进一步改小到1k 3. Rpz=1k时,如下图所示 比较上述3个测试结果,可以确认,电阻改变方向应该是需要加大。 4. Rpz=10k时,结果如下图所示 可以看到,Rpz=10k时,尖顶虽然未被压缩到底,但此时已经开始出现下冲,脉冲宽度已经明显被缩小到100ns左右了。
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    2024-3-8 13:15
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    极零相消在实际电路中的应用 概述 极零相消也被称为极零补偿(PZC, Pole-Zero Cancellation/Compensation),最近针对PZC电路有过几轮讨论,个人也有些思考,前面也有一篇短小篇幅的总结。 有时间打算稍微展开探讨一下PZC电路,至少使得对其理解更清晰,了解为什么要使用PZC,哪些地方(或节点)需要或适合插入PZC电路。 MPPC的PZC电路 如图1所示,为滨松使用的PZC电路。MPPC的输出成分分为快成分(fast)和慢成分,但是需要更加方便获得时间信息的时候,用户就希望仅仅测试MPPC输出的快成分,所以滨松就推荐了图1所示的PZC来对MPPC输出信号进行调理。 图1:滨松给出的PZC电路示意图 上述电路的关键是如何选择电容C和电阻R1,具体原则滨松在给出上述PZC参考电路的时候并未给出,这个与前端驱动的MPPC有关,由于不同的MPPC,其输出电容不同,估计也是由此滨松并未给出固定的C和R1参考值,这个需要用户自行根据选用的MPPC具体型号进行选择。 MPPC各参数之间联系图 图2来自滨松官网,展示MPPC各参数之间联系图。蓝色标签是指用户可选可调的外部条件,中间紫色标签是指受外部条件直接或间接影响的性能参数。 图2:滨松MPPC各参数之间联系图 对于用户来说,感光面积和像素尺寸在项目开始前或项目启动前期就已经确定好了的,所以它们对于当前我们要讨论的PZC电路,在此忽略(并非对PZC电路没影响,而是选型之后影响已经固化了)。所以PZC电路在设计和调试的时候,主要面临如何配合温度和电压的变化。 在实际应用中用户需要在图2中间紫色标签中找寻到最佳的平衡点。在找寻最优平衡点的过程中,PZC电路可能就需要依据其它参数的改变而动态进行调整。上面提到了PZC可以将MPPC的快成分“分离”出来,进行时间信息处理,下节探讨在实际电路中PZC的其它用途。 PZC电路在实际应用中的作用 滨松给出的PZC主要是分离快成分,实际应用中我们对快慢成分都施加了PZC模块。这个模块在我们的电路中的主要作用就是“抑制暗脉冲”。 暗脉冲来自于暗电流(dark crrent),MPPC的暗电流会产生暗计数(dark count),即在正常工作偏置电压下,将MPPC放置在黑暗环境中,并且没有辐射源照射的情况下,由于Si材料内载流子的热激发等原因引起的计数。单位时间内发生1 p.e.及以上的波形计数定义为暗计数率。MPPC常温下通常在几百kHz,如图3所示为滨松给出的测量截图。 图3:示波器进行的暗计数测量 注意几个概念,p.e.是photon equivalent的缩写,意为光子等效。0.5 p.e.指雪崩脉冲宽度为1个光子引发雪崩脉冲幅度的0.5倍。设置0.5 p.e.的阈值就是记录所有大于或等于1个光子电子信号。上图显示的大部分应该都是单光子信号脉冲,偶尔可能会有多光子重叠引起的多光子脉冲信号。如图4所示,某型滨松MPPC中不同尺寸中的像素数量。所以多光子重叠的概率还是有的。 图4:同系列MPPC不同尺寸中像素数量 MPPC的暗电流要比PMT大很多,二者不是一个数量级,所以两者使用的系统中前端电路也有不同。比如是否采用PZC电路。暗电流对于系统来说,其实就是噪声,前端电路设计需要采取各种措施来抑制噪声。 我们也采取类似图3所示的测试,如图5所示。图3示波器时间刻度是50us,图5时间刻度是200ns。 图5:暗脉冲测量 图5中满屏,也即2us时间中至少能看到10个明显的暗脉冲。请注意,图5除了是测量暗脉冲以外,同时测量验证了PZC电路的效果,即示波器通道2展示测量结果。我们发现这个10个暗脉冲基本都被消除了,只有2号、3号和4号脉冲还有残留。 图6给出了有用信号和暗脉冲一同存在的场景以及经过PZC处理前后的测试结果(示波器通道1测量PZC处理之前,示波器通道4测量PZC处理之后),我们发现暗脉冲的密度很大,严重干扰了信号基线。从图中可以看到信号基线由于大量暗脉冲的存在,产生明显的“晃动”。这种晃动幅度虽然不大,但是在紧密测量应用中会带来比较大的麻烦。 所以这个PZC电路就像粉底的作用一样,可以用来“抹平”信号基线,使得基线尽量平滑,否则测量的时候很容易产生误触发。另外,前端信号送入下一级可能还需要进行放大处理,这些暗脉冲如果未经处理一起送入下一级也会带来问题。 图6:未经PZC处理的信号
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    2024-3-1 12:00
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    从极零相消得到的一些思考
    这几天上头给出一个参考电路,并对比项目中电路进行了几轮来回讨论。数字工程师介入模拟电路的讨论、设计,而且投入实际应用,可能遇到很多挫折、打击,回头看看,对技术的理解,对系统架构的认识逐渐清晰。这是个什么电路呢,如下图所示: 也不知上头是从那篇文章中找来的电路,扔给我们的意思是让我们对照当前项目中电路看看是否什么可以借鉴汲取的地方!经过讨论,提出上图主要有2点值得我们注意: 1)、最近一直在讨论使用的极零相消 2)、放大器+AC耦合思想 上述电路两个放大器输出均跟有AC耦合电容,领导说为何他印象中看到的几乎所有的放大器后面都使用了AC耦合电容(请注意:领导非电子专业,如果说我们是模拟电子半专业,那他根本就是门外汉,但是就是这个“门外汉”往往提出各种想法,让我们项目组具体实现。)。讨论的时候,我们也不好提出并非所有放大器后面都放了AC耦合电容(或者其它啥叫法的电容)。这是一点,所以清查我们的电路所有放大器,是否需要都在放大器后面加上一个电容,用来隔直也好,用来AC耦合也好,用来实现高通或低通滤波也好。 上述电路的极零相消由C9,C10和R16实现。和传统的PZC电路差别是在电阻路径上引入了一个稍微大一点电容,即C9。比如下图所示,就是滨松给出的PZC实例图。 这个PZC电路是我们通常见到了电路,电阻路径引入电容,其实主要目的就是起到隔离直流作用。我们需要思考的是,这个电容是否会对原始PZC电路造成影响?由于引入的电容较大,而PZC原始电路中的电容一般都较小,影响可以忽略不计。那为何不将电容搁置在PZC的前面呢?如果直接搁置在整个PZC电路前面,虽然起到了隔离DC的作用,但是隔直电容会与PZC中的电容串联如此影响到PZC的功能。 从此次讨论引申一点到由放大器实现的加法器电路,加法器的输入由前级放大器驱动,经过测量前级放大器输出基线在0V附近,DC水平在经过传统PZC后围绕在0~1mV左右。前级放大器和加法器放大器型号相同,器件手册给出的DC offset指标也与实际测试相符。此时,讨论中上头提出尽管加法器输入DC水平在亚毫伏级别,但是多支路信号的基线经过不同放大器之后并不一致,所以在加法器上即为非同电位相加,多路信号融合(merger)后输出信号的前沿与同电位融合必然不同。这个”不同“在通用应用中也许不会care,但是在我们的系统中,却是非常重要的。似乎、好像很有道理,值得思考。