Dyskryminator

Sygnał wyjściowy układu BLR podawany jest na dwa równoległe dyskryminatory (rys. 3.38). Ich zadaniem jest podanie na 20-bitowe liczniki, znajdujące się na wyjściu, informacji czy amplituda impulsu na ich wejściu jest większa od zadanych progów dys-kryminacji [43]. gnd gnd vdd vdd V_TH1 REF_D1 VTH2 VTL1 VTL2 VSHOUT REF_D1 REF_D2 REF_D2 Vouthigh Voutlow

wzmacniacz różnicowy dyskryminator z histerezą

VKORR

Rys. 3.38. Blok dyskryminatorów.

Dzięki zastosowaniu dwóch równoległych dyskryminatorów, możliwa jest praca z tzw. oknem energetycznym. Pomiar z oknem energetycznym przeprowadzany jest z dwoma róż-nymi progami dyskryminacji, następnie ilość zliczeń z obu dyskryminatorów należy od sie-bie odjąć, uzyskując ilość impulsów, których amplituda jest zawarta pomiędzy zadanymi progami. Pomiary z oknem energetycznym mogą być przeprowadzane w badaniach me-dycznych - np. w mammografii czy angiografii, dla podniesienia kontrastu rejestrowanego obrazu [63].

Rozdział 4

Pomiary układu SXDR64

z detektorami promieniowania X

W celu weryfikacji funkcjonalności i zbadania parametrów układu scalonego, przepro-wadzono pomiary testowe bez detektora oraz szereg pomiarów z detektorami promieniowa-nia X. Wykonano kilka modułów pomiarowych, które zawierały układy scalone SXDR64 połączone z różnego typu detektorami. Pomiary z detektorem krzemowym, sprzężonym zmiennoprądowo z układem scalonym, zostały wykonane jako referencja, ponieważ w tym przypadku prąd upływu nie wpływa do układu scalonego. Pomiary z promieniowaniem X zostały przeprowadzone w Katedrze Metrologii Akademii Górniczo-Hutniczej w Krako-wie na dyfraktometrze RAD-B oraz w japońskiej firmie Rigaku Corporation w Tokio na urządzeniu R-XAS.

4.1 Pomiary testowe SXDR64 bez detektora

Układ scalony SXDR64 umieszczono na płytce drukowanej. Poprzez płytkę dopro-wadzane jest do układu zasilanie oraz prowadzona jest transmisja danych. Rysunek 4.1 przedstawia układ SXDR64 podłączony do płytki PCB.

Wbudowany w układ scalony obwód generacji impulsów testowych posiada możliwość zadawania impulsów o programowalnej amplitudzie (5-bitowy przetwornik C/A). Dzięki temu możliwe jest sprawdzenie funkcjonalności układu oraz jego podstawowych para-metrów jeszcze przed podłączeniem detektora promieniowania X. Z wyników pomiarów testowych oszacowane mogą być takie wielkości jak wzmocnienie, liniowość oraz szumy

Rys. 4.1. Układ SXDR64 podłączony do płytki PCB.

kanału odczytowego.

Na uwagę zasługuje sposób przeprowadzania pomiaru. Na wejście wzmacniacza ładun-kowego podawany jest ciąg impulsów testowych. Pomiar z użyciem jednego dyskrymina-tora polega na skanowaniu progiem dyskryminacji V_{T H1} (V_{T L1}), z którą porównywany jest sygnał na wejściu dyskryminatora (rys. 4.2).

-KV Układ kształtujący BLR Układ Korekcji VTH1 K=1 K=1 VTH2 VTL1 VTL2 LICZNIK B RAM LICZNIK A RAM DYSKRYMINATORY Ctest Rf Cf Rpz Cpz W JŚ IE Cb WYJŚCIE A WYJŚCIE B Wewnętrzny generator impulsów testowych klucz A klucz B

Rys. 4.2. Schemat toru pomiarowego układu SXDR64 w konfiguracji do pomiarów testowych.

Dla każdej wartości VT H1 (VT L1) podawanej przez przetwornik C/A (przetwornik 8-bitowy, 1 LSB = 2.96 mV) na wyjściu kanału otrzymuje się liczbę impulsów, które przekro-czyły zadany próg dyskryminacji w czasie zamknięcia klucza A (B). Dokonując pomiaru w funkcji napięcia dyskryminacji (ang. threshold scan), uzyskuje się tzw. widmo całkowe zliczeń. Jako że amplituda sygnału na wejściu dyskryminatora jest wprost proporcjo-nalna do ładunku wejściowego, w przypadku podłączonego detektora promieniowania X, oświetlanego monoenergetyczną wiązką fotonów, pomiar taki daje informację o energii padających fotonów.

Przeprowadzenie pomiarów ze wrastającą amplitudą wejściowych impulsów testowych pozwoliło na oszacowanie zakresu liniowego dla każdego trybu pracy układu kształtują-cego. Przykładowe widma całkowe, otrzymane w trybie 2 dla pełnego zakresu amplitud impulsów testowych, przedstawione zostało na rysunku 4.3.

150 300 450 600 0,0 5,0k 10,0k 15,0k I l o zl i cze [ cp s] Threshold [mV]

Rys. 4.3. Widmo całkowe otrzymane w trybie 2 dla pełnego zakresu amplitud impulsów testowych.

Po zróżniczkowaniu ilości zliczeń w funkcji progu dyskryminacji, otrzymano widmo różniczkowe (rys. 4.4), które jest rozkładem amplitudowym zarejestrowanych impulsów.

150,00 300,00 450,00 600,00 0 1k 2k 3k d N / d V T H Threshold [mV]

Rys. 4.4. Widmo różniczkowe otrzymane z danych na rys. 4.3.

G(x) = A · e^(x−µ)22σ2 (4.1) można obliczyć rozmycie szumowe (σ), które po przeliczeniu na wejście układu jest równe równoważnemu ładunkowi szumów - ENC.

Z pozycji kolejnych wierzchołków w funkcji ładunku wejściowego można oszacować zakresy liniowe dla poszczególnych trybów pracy układu kształtującego (rys. 4.5).

0 2000 4000 6000 8000 10000 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 Tryb 0 Tryb 1 Tryb 2 Tryb 3 r o d e k p i ku [ m V ]

adunek wej ciowy [e -

]

Rys. 4.5. Pozycja pików na widmie różniczkowym w funkcji ładunku wejściowego, dla każdego z trybów pracy układu kształtującego.

Biorąc pod uwagę zakres liniowy dla każdego z trybów pracy można obliczyć wartość wzmocnienia układu, jako współczynnik kierunkowy prostej dopasowanej do liniowego fragmentu przebiegu (rys. 4.5). Tabela 4.1 przedstawia zestawienie wzmocnień, zakresów liniowej pracy oraz szumów (ENC), które zostały obliczone z pomiarów z impulsami te-stowymi dla wszystkich trybów pracy układu kształtującego. Szumy zostały obliczone dla

dwóch ustawień rezystancji: Rf = 150 MΩ oraz Rf = 15 MΩ.

Oszacowane wzmocnienia nieco różnią się od tych otrzymanych w symulacjach układu, co można tłumaczyć rozrzutem parametrów technologicznych (zarówno tranzystorów, jak i elementów pasywnych, tj. rezystorów i kondensatorów). Przed podłączeniem detektora do układu szumy są niskie, szczególnie w trybach o dużej wartości czasu tp (tryb 1 i 3),

przy Rf = 150 MΩ. Jest to zgodne z rysunkiem 3.10. Zakres liniowy, z powodu

ograni-czonego przedziału amplitud w generatorze impulsów testowych, został sprawdzony do wartości ładunku równego 10000 elektronów, co w przypadku detektora CdTe daje około

Tab. 4.1. Wzmocnienie, zakres liniowej pracy oraz szumy (ENC) bez detektora, oszacowane z wyników pomiarowych z impulsami testowymi.

Tryb Wzmocnienie Oszacowany ENC [e−]

pracy [µV/e−] zakres liniowy [e−] Rf = 150 MΩ Rf = 15 MΩ

0 23 co najmniej 10000 62 115

1 18 co najmniej 10000 49 127

2 57 5000 60 118

3 33 6000 64 177

44 keV. Tryby 0 i 1 pracy układu kształtującego są liniowe w pełnym zakresie testowanych ładunków.