Pomiary układu SXDR64 z wykorzystaniem wbudowanego generatora impulsów testo-wych, pozwoliły na sprawdzenie podstawowych parametrów układu przed podłączeniem detektora. Oszacowano zakres liniowej pracy układu dla trybów 2 i 3 układu kształtu-jącego, jak również obliczono szumy przy dwóch skrajnych ustawieniach rezystancji Rf
(tab. 4.1).
Układ został następnie przetestowany z krzemowym detektorem paskowym typu AC. Średnia wartość szumów ENC w trybie 2 pracy układu kształtującego wyniosła 127 e−rms, natomiast układy korekcji pozwoliły na ograniczenie rozrzutu pozycji piku energetycznego do 8 e− rms.
Poprawna praca układu z detektorem typu DC została potwierdzona zarówno przy pomiarach z detektorem krzemowym, jak i detektorami CdTe. Poziom szumu, ze względu na prąd upływu detektora CdTe oraz trudności w połączeniu go z układem SXDR64, był większy niż w przypadku detektora krzemowego.
Pomiary szybkościowe, wykonane zarówno z detektorem krzemowym jak i CdTe, po-kazują, że przy 1 M impulsów wejściowych na sekundę, układ zlicza ok. 10 % impulsów mniej, natomiast czas martwy uzyskany z dopasowania do modelu paraliżującego wynosi około 200 ns.
Ze względu na brak dostępności stanowiska pomiarowego z lampą rentgenowską o wy-sokich energiach promieniowania (do 100 keV) zakres liniowości dla trybu 1 (o najmniej-szym wzmocnieniu) oszacowany został z symulacji (rys. 3.33). W przypadku pracy z do-datnimi impulsami wejściowymi, zakres liniowej pracy układu, przy prądzie upływu de-tektora równym 10 nA, sięga 100 keV. Natomiast przy ujemnych impulsach wejściowych, prąd upływu detektora wynoszący - 10 nA powoduje ograniczenie zakresu liniowej pracy układu do 45 keV. W przypadku pracy z detektorami CdTe z barierą Schottkiego, prądy upływu detektora są zazwyczaj poniżej 1 nA / pasek, jednak w przypadku zastosowania
detektorów GaAs lub CdTe z kontaktami ’ohmowymi’, które charakteryzują się prądami upływu rzędu kilku nA / pasek, zakres liniowej może zostać ograniczony.
Rozdział 5
Układ SXDv2
Wnioski, jakie płyną z wyników pomiarowych układu scalonego SXDR64, świadczą o tym, że wymagania projektowe zostały w większości spełnione. Problemem okazuje się jednak osiągnięcie wymagań dotyczących pracy z dużą częstością impulsów wejściowych oraz zakresu liniowej pracy układu. Układ SXDR64 przy 1 Mcps impulsów wejściowych zlicza około 10% impulsów mniej, a czas martwy obliczony z modelu paraliżującego wynosi około 200 ns.
Natomiast wzrost prądu upływu (w przypadku ładunków ujemnych) powoduje ogra-niczenie zakresu liniowej pracy układu.
W trakcie projektowania drugiego prototypu układu zdecydowano się na użycie układu kształtującego trzeciego stopnia ze skróconym czasem tp oraz zastosowanie cyfrowej ko-rekcji prądu upływu. Obie wprowadzone zmiany mają na celu poprawę pracy układu zarówno pod kątem szybkościowym jak i poszerzenie zakresu liniowej pracy układu.
5.1 Architektura układu.
Druga wersja układu nosi nazwę SXDv2 i jest wersją prototypową, składającą się z 32 kanałów odczytowych. Uproszczony schemat pojedynczego kanału przedstawiony został na rysunku 5.1
Istotną zmianą, w stosunku do wersji poprzedniej, jest zastosowanie programowal-nego układu kształtującego trzeciego rzędu. Budowa poszczególnych stopni układu kształ-tującego jest analogiczna do wersji poprzedniej. Zastosowano tutaj układ kluczy S1-S3
-KV Układ kształtujący BLR Układ Korekcji VTHA1 K=1 K=1 VTHA2 VTHB1 VTHB2 LICZNIK B RAM LICZNIK A RAM DYSKRYMINATORY Ctest Rf Cf Rpz Cpz WEJŚCIE TEST Cb WYJŚCIE A WYJŚCIE B klucz A klucz B
Rys. 5.1. Architektura pojedynczego kanału układu SXDv2.
ominięciu ostatniego stopnia układ kształtujący jest filtrem drugiego rzędu). Opcję tę wprowadzono w celu uniknięcia sytuacji nasycania się ostatniego stopnia układu kształ-tującego, która mogłaby nastąpić w wyniku przepłynięcia przez niego dużych wartości prądu upływu bądź w przypadku dużych wartości ładunku wejściowego.
IPZC RSH1 CSH1 RSH2 CSH2 RSH3 CSH3 φTP φGAIN R2 R3 VSHOUT φTP φTP φGAIN -KSH -KSH -KSH Układ kompensacji
prądu upływu Zmiana polarności
S1
S2
S3
Rys. 5.2. Uproszczony schemat układu kształtującego zastosowanego w układzie SXDv2.
Możliwość wyłączania ostatniego stopnia układu kształtującego powoduje, że sygnał na wejściu dyskryminatora może mieć tą samą polarność dla przypadku odczytu sygnału z detektora zbierającego elektrony jak również dla detektora zbierającego dziury. Pozwala to na uproszczenie procedur obliczeniowych w systemie odczytowym.
Układ kształtujący może pracować w dwóch konfiguracjach (praca 2 stopniowa i 3 stop-niowa). Każda z nich składa się z 4 trybów różniących się od siebie wzmocnieniem i czasem tp. Konfiguracje te zestawione zostały w tabeli 5.1.
Jak wspomniano w rozdziale czwartym, prąd upływu powoduje, że poziom stały na-pięcia na wyjściach kolejnych stopni układu kształtującego coraz bardziej odbiega od linii bazowej, co przy dużych wartościach prądu może doprowadzić do nasycenia wzmacniacza kształtującego. Niesie to za sobą utratę informacji o amplitudzie ładunku wejściowego. Dzięki układowi kompensacji prądu upływu, poziom napięcia stałego na wyjściu
pierw-Tab. 5.1. Wzmocnienie i czas tp dla obu konfiguracji (2-stopniowej i 3-stopniowej) i wszystkich trybów pracy. Wyniki uzyskane z symulacji przy Rf = 15 MΩ.
2-stopniowy 3-stopniowy
układ kształtujący układ kształtujący
Wzmocnienie [µV/e−] tp [ns] Wzmocnienie [µV/e−] tp [ns]
Tryb 0 27.36 63 21.45 96
Tryb 1 18.71 145 14.04 216
Tryb 2 44.15 82 43.20 170
Tryb 3 25.98 181 25.63 330
szego stopnia układu kształtującego może być przywrócony do pozycji bazowej. Pozwala to na niwelowanie przesunięć poziomów stałych w kolejnych stopniach układu kształtują-cego i zapobiega nasycaniu się tych stopni.
Kompensacja prądu upływu
Uproszczony schemat pierwszego stopnia układu kształtującego przedstawia rysu-nek 5.3. Vdda Vddm VIN gnd Bias Vddm VOUT1 Kompensacja Offsetu R•Idleak VGSI MI Ms Mc Id VKOMP
Rys. 5.3. Uproszczony schemat pierwszego stopnia układu kształtującego.
Prąd upływu, wpływając do układu kształtującego, powoduje spadek napięcia na rezy-storze w sprzężeniu i w konsekwencji spadek poziomu stałego napięcia na wyjściu układu kształtującego. Poziom napięcia stałego na wyjściu układu dany jest zależnością:
Spadek napięcia wyjściowego, spowodowany prądem upływu, można zniwelować
pod-nosząc wartość napięcia wejściowego. Ponieważ prąd płynący przez tranzystor MC ma
stałą wartość, poprzez sterowanie napięciem VKOM P na bramce tranzystora MS, można zmieniać wartość prądu ID, powodując zmianę prądu tranzystora MI. W rezultacie powo-duje to zmianę napięcia VGSI zgodnie ze wzorem:
|VGSI| = s ID 1 2µ0CoxWM I LM I + |VT H| (5.2)
Podstawiając za VIN = Vddm-|VGSI| otrzymano zależność poziomu stałego napięcia
na wyjściu pierwszego stopnia układu kształtującego od prądu tranzystora MS, który
sterowany jest potencjałem VKOM P.
Prąd upływu, wpływający do układu kształtującego, zmienia poziom stały napięcia na wyjściu, jednak dzięki zmianie wartości napięcia stałego na wejściu układu kształtują-cego, można spowodować przywrócenie pierwotnego poziomu napięcia stałego na wyjściu układu. Powoduje to poszerzenie zakresu liniowej pracy układu, w porównaniu do jego poprzedniej wersji. Na rysunku 5.4 zaprezentowano wartość amplitudy sygnału na wyjściu układu kształtującego w funkcji ładunku wejściowego, dla kilku wartości prądu upływu detektora. -30000 -20000 -10000 0 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 Prd upywu [nA] 0 -5n -10n A m p l i t u d a s y g n a u n a w y j c i u u k a d u k s z t a t u j c e g o [ V ]
adunek wejciowy [e - ] a) 0 10000 20000 30000 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 Prd upywu [nA] 0 5n 10n A m p l i t u d a s y g n a u n a w y j c i u u k a d u k s z t a t u j c e g o [ V ]
adunek wejciowy [e -
]
b)
Rys. 5.4. Zależność amplitudy sygnału na wyjściu układu kształtującego od ładunku wejściowego, przy różnych wartościach prądu upływu. Symulacje przeprowadzone przy trybie 1 układu kształtującego.
Ładunek ujemny (a), ładunek dodatni (b).
Można zauważyć, że zakres liniowej pracy, zarówno w przypadku ujemnego jak i
do-datniego ładunku wejściowego i prądu upływu do 10 nA, sięga 27500 e− co odpowiada
Przeprowadzono również symulacje kanału analogowego układu SXDv2 z różnymi war-tościami napięcia kompensacji offsetu (rys. 5.5). Parametrem jaki brano pod uwagę była stałość wzmocnienia w funkcji prądu upływu. Z wyników symulacji można wnioskować, że wzmocnienie może być utrzymane na stałym poziomie dla detektorów o prądach upływu z zakresu od -12 nA do + 10 nA (rys. 5.5 a, b) co spełnia założenia projektowe.
-20,0n -15,0n -10,0n -5,0n 0,0 0,0 10,0µ 20,0µ 30,0µ 40,0µ 50,0µ V K OMP [V] 1.3 1.35 1.4 1.45 1.5 1.55 1.6 1.65 1.7 W z m o c n i e n i e [ V / e -]
Prd upywu detektora [A]
a) 0,0 5,0n 10,0n 15,0n 20,0n 0,0 10,0µ 20,0µ 30,0µ 40,0µ 50,0µ V KOMP [V] 1.7 1.75 1.8 1.85 1.9 1.95 2 W z m o c n i e n i e [ V / e -]
Prd upywu detektora [A]
b)
Rys. 5.5. Wzmocnienie dla różnych ustawień napięcia kompensacji w funkcji prądu upływu. Przypadek dla impulsów ujemnych (a), dla impulsów dodatnich (b). Dane otrzymane z symulacji przy Rf = 15 MΩ.
Różnica wzmocnień pomiędzy przypadkami z dodatnim i ujemnym prądem upływu wynika z ustawienia układu kształtującego odpowiednio w tryb 2-stopniowy i 3-stopniowy. W prezentowanym zakresie prądów upływu wzrost prądu detektora będzie powodo-wał wzrost szumu ENC, jednak szum układu odczytowego pozostaje w akceptowalnym zakresie (rys. 5.6 a, b). -20,0n -15,0n -10,0n -5,0n 0,0 100 150 200 250 300 V KOMP [V] 1.3 1.35 1.4 1.45 1.5 1.55 1.6 1.65 1.7 E N C [ e -r m s ]
Pr d upywu detektora [A]
0,0 5,0n 10,0n 15,0n 20,0n 25,0n 100 150 200 250 300 V KOMP [V] 1.7 1.75 1.8 1.85 1.9 1.95 2.0 E N C [ e -r m s ]
Pr d upywu detektora [A]
a) b)
Rys. 5.6. Szumy ENC dla różnych ustawień napięcia kompensacji w funkcji prądu upływu. Przypadek dla impulsów ujemnych (a), dla impulsów dodatnich (b). Dane otrzymane z symulacji przy Rf = 15 MΩ.
Dzięki zastosowaniu niższego rzędu filtru wraz z układem kompensacji prądu upływu zakresy liniowości toru elektroniki analogowej poszerzyły się w stosunku do poprzedniej
wersji układu scalonego.