научная статья по теме МИКРОМОЩНОЕ УСТРОЙСТВО СЧИТЫВАНИЯ И ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СИГНАЛОВ КРЕМНИЕВЫХ ФОТОЭЛЕКТРОННЫХ УМНОЖИТЕЛЕЙ Энергетика

Текст научной статьи на тему «МИКРОМОЩНОЕ УСТРОЙСТВО СЧИТЫВАНИЯ И ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СИГНАЛОВ КРЕМНИЕВЫХ ФОТОЭЛЕКТРОННЫХ УМНОЖИТЕЛЕЙ»

УДК 621.382

МИКРОМОЩНОЕ УСТРОЙСТВО СЧИТЫВАНИЯ И ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СИГНАЛОВ КРЕМНИЕВЫХ ФОТОЭЛЕКТРОННЫХ УМНОЖИТЕЛЕЙ

A MICRO-POWER UNIT FOR SILICON PHOTOMULTIPLIERS SIGNALS

READOUT AND CONVERSION

Бочаров Юрий Иванович

канд. техн. наук, доцент Е-mail: yibocharov@mephi.ru

Бутузов Владимир Алексеевич

ассистент

Е-mail: butuzov@inbox.ru

Гурковский Борис Вячеславович

аспирант

Е-mail: gurkovskiyboris@gmail.com

Онищенко Евгений Михайлович

канд. техн. наук, вед. научн. сотрудник Е-mail: emonishchenko@mephi.ru

Симаков Андрей Борисович

канд. техн. наук, зав. НИЛ Е-mail: absimakov@mephi.ru

Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ", Москва

кафедра микро- и наноэлектроники

Аннотация: Описан блок считывания и аналого-цифровой обработки сигналов матриц кремниевых фотоэлектронных умножителей на основе специализированной интегральной микросхемы, содержащей 10 каналов 10-разрядных АЦП последовательного приближения и буферное запоминающее устройство. Мощность, потребляемая микросхемой, не превышает 0,5 мВт на канал при частоте отсчетов 100 кГц.

Ключевые слова: кремниевый фотоэлектронный умножитель, специализированная интегральная микросхема, АЦП, многоканальный микромощный аналого-цифровой преобразователь.

Bocharov Yuri I.

Ph. D. (Technical), Associate Professor E-mail: yibocharov@mephi.ru

Butuzov Vladimir A.

Lecturer

E-mail: butuzov@inbox.ru

Gurkovsky Boris V.

Graduate Student

E-mail: gurkovskiyboris@gmail.com

Onishchenko Eugene M.

Ph. D. (Technical), Leading Researcher E-mail: emonishchenko@mephi.ru

Simakov Andrey Borisovich

Ph. D. (Technical), Head of NEIL E-mail: absimakov@mephi.ru

National Research Nuclear University "MEPHI", Moscow

Department of micro- and nanoelectronics

Abstract: The unit dedicated to process of mixed signals of silicon photomultiplier is described. It is based on the application specific integral circuit containing 10 channels of 10-bit successive approximation analog-to-digital converter and buffer memory. Units power consumption is 0,5 mW per channel at sampling rate of 150 kHz.

Keywords: silicon photomultiplier, integrated circuit, IC, application specific integrated circuit, multichannel micropower analog-to-digital converter.

ВВЕДЕНИЕ

Кремниевые фотоэлектронные умножители (КФЭУ) — это детекторы импульсного оптического излучения на основе ячеек, содержащих массив лавинных фотодиодов с гасящими резисторами, ограничивающими гейгеровский разряд [1, 2]. Они нашли применение в самых разных областях: в установках для физических экспериментов, в по-зитронно-эмиссионных томографах

(ПЭТ), в спектроскопии, микроскопии, в приборах химического анализа и мониторинга окружающей среды [2—4]. Конструктивно микросхемы КФЭУ реализуются в виде отдельных детекторных элементов — ячеек, включающих от сотен до десятков тысяч микроячеек, а также в виде фотоматриц, состоящих из таких элементов. Для считывания данных с матричных детекторов созданы специализиро-

ванные интегральные микросхемы (ИМС), которые осуществляют предварительную аналоговую обработку сигналов. Некоторые из них выполняют также преобразование сигналов цифровую форму [5—7].

К областям с особыми требованиями к функциональному составу и параметрам таких ИМС КФЭУ относятся портативные приборы с автономным питанием для оперативного контроля и мониторинга ра-

диационного загрязнения окружающей среды с использованием датчиков, содержащих сцинтилляторы и устройства считывания. В портативных приборах число ячеек матричных КФЭУ редко превышает 9—16, что делает наиболее перспективной параллельную архитектуру систем считывания и сбора данных с АЦП в каждом канале. При параллельной обработке сигналов достаточно, чтобы быстродействие АЦП в каждом из каналов составляло не менее 100 тысяч выборок в секунду (частота выходных отсчетов 100 кГц). Вместе с тем, критически важным параметром становится уровень энергопотребления прибора, и на первый план выдвигается задача минимизации потребляемой мощности каждого из его блоков, в том числе блока считывания и преобразования сигналов КФЭУ.

Поскольку процесс считывания является асинхронным и определяется случайным входным потоком событий (попаданием фотонов на матрицу), то АЦП должен содержать буферное запоминающее устройство (ЗУ) для синхронизации с аппаратурой цифровой обработки выходных данных. Разрешение АЦП должно быть максимально возможным. Главным ограничивающим фактором увеличения разрешения является сложность осуществления автоматической калибровки каналов. Это связано с наличием большого количества блоков АЦП в составе микросхемы, число которых может наращиваться при усложнении ИМС. Калибровка всех каналов требует существенных энергетических, вычислительных, аппаратных ресурсов, поэтому вместо нее были применены АЦП с максимальным разрешением, достижимым схемными и конструктивными методами. С использованием технологических процессов, обеспечивающих создание прецизионных конденсаторов и резисторов, в индустриальном температурном диапазоне без калибровки и цифровой постобработки можно достичь разреше-

ния, соответствующего эффективной разрядности АЦП до 10 бит [8].

Наибольшее применение в портативной аппаратуре нашли матрицы КФЭУ с числом элементов 4, 9 и 16, поэтому специализированная ИМС должна иметь не менее девяти независимых каналов АЦП. При этом для считывания сигналов с 16-элементной матрицы используется метод объединения сигналов строк и столбцов, что дает 8 информативных каналов. Необходима также система опроса, обеспечивающая выявление активных каналов, в которых произошло преобразование, и запись результатов в буферное ЗУ. Оценка потребляемой мощности для блоков АЦП разрядностью 10 бит в соответствии с лучшими показателями для устройств сравнимого быстродействия — около 1 мВт на канал. Поскольку серийные ИМС, удовлетворяющие отмеченным требованиям, отсутствуют, разработана и изготовлена специализированная микросхема микромощного 10-канального АЦП с буферным ЗУ [9].

СТРУКТУРА УСТРОЙСТВА СЧИТЫВАНИЯ И ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СИГНАЛОВ КФЭУ

Структурная схема устройства считывания и аналого-цифрового преобразования сигналов матриц КФЭУ показана на рис. 1. Устройство содержит модуль предварительной аналоговой обработки сигналов и 10-канальный АЦП с буферным ЗУ, который реализован в виде специализированной КМОП микросхемы с малым энергопотреблением.

В составе аналогового модуля можно выделить 9-канальный головной блок, включающий транс-импедансные усилители, преобразующие токовый сигнал на выходе ячейки КФЭУ в сигнал напряжения, и полосовые фильтры — формирователи импульсов заданной формы. Кроме того в состав модуля входит 9-канальный блок ампли-

тудного детектирования, выполняющий также функцию синхронизации и формирования сигналов запуска АЦП. Структурная схема одного канала этого блока показана на рис. 2.

Входной сигнал масштабируется и подается через усилитель с фиксированным коэффициентом усиления на компаратор с программируемым порогом, а также на пиковый детектор. Сигнал, уровень которого превышает порог срабатывания компаратора, считается информативным. Его амплитуда фиксируется пиковым детектором и формируется сигнал запуска АЦП с программируемой задержкой, которая необходима для синхронизации с процессом формирования выходного сигнала пикового детектора.

ИМС содержит 9 идентичных основных каналов с блоками АЦП разрядностью 10 бит и систему опроса каналов, которая при обнаружении активного состояния сигнала на выходе индикатора готовности осуществляет запись результата преобразования в ЗУ вместе с номером канала. Буферное ЗУ имеет 16 ячеек памяти разрядностью по 16 бит и организовано по принципу FIFO. Из ЗУ данные считываются через последовательный SPI-сов-местимый интерфейс. Десятый вспомогательный канал АЦП может использоваться для измерения температуры, напряжения питания КФЭУ и иных целей. Микросхема содержит также встроенный источник опорного напряжения (ИОН), построенный на основе базовой ячейки (рис. 3) с выходным напряжением 1,09 В. При необходимости он может быть отключен и заменен на внешний ИОН.

В схеме базовой ячейки можно выделить ядро из пары p-n-p транзисторов Q1, Q2 с резисторами R2—R5 и цепи обратной связи с операционным усилителем (ОУ) на транзисторах М4—М19. Схема также содержит цепь компенсации температурных погрешностей второго порядка Q3, R6, R7, а также цепь

24

Sensors & Systems • № 1.2015

Рис. 1. Структурная схема устройства считывания и преобразования сигналов КФЭУ

начального запуска М1—М3 и выходной каскад с фильтром нижних частот для снижения уровня шумов (М20, Л8, С2).

Масштабирующий усилитель повышает выходное напряжение базовой ячейки до номинального значения 2,50 В. Второе опорное напряжение вдвое меньшей величины формируется прецизионным ре-зистивным делителем и через два идентичных буфера с единичным коэффициентом передачи подается на внутренние узлы схемы. Благодаря высокому коэффициенту усиления ОУ базовой ячейки ее выходное напряжение и формируемые на его основе опорные напряжения слабо зависят от напряжения питания. Усредненные температурные зависимости выходных напряжений масштабирующего усилителя Ьоп1 и буфера Цоп2 при минимальном и

Рис. 2. Структурная схема одного канала блока амплитудного детектирования и синхронизации:

1 — входной масштабирующий преобразователь; 2 — пиковый детектор; 3 — усилитель с фиксированным коэффициентом передачи; 4 — компаратор; 5 — схема программной установки порога компаратора; 6 — формирователь импульсов; 7 — программируемый таймер сигнала запуска АЦП

Рис. 3. Принципиальная схема базовой ячейки ИОН

Рис. 4. Температурные зависимости опорного напряжения на выходе масштабирующего усилителя и буфера:

1, 2 — выходные напряжения усилителя при питании 3,0 и 3,6 В; 3, 4 — напряжения на выходе буфера при питании 3,0 и 3,6 В

максимальном уровнях напряжения питания приведены на рис. 4.

В температурном диапазоне —40...+85 °С относительный температурный коэффициент не превосходит 30-10 6 1/°С. Ток потребления ядра ИОН составляет около 80 мкА, а общий ток потребления масштабирующего усилителя

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком