Układ XPAD 3

Układ XPAD3 został zaprojektowany przez naukowców z CNRS we Francji [33]. Wy-konany jest w technologii IBM 0.25 µm, zawiera matrycę 80 x 120 komórek a rozmiar pojedynczej komórki to 130 x 130 µm2

. Układ powstał w dwóch wersjach: XPAD3S prze-znaczonej dla detektorów krzemowych oraz XPAD3C przeprze-znaczonej dla detektorów CdTe. Schemat pojedynczej komórki przedstawia rysunek 2.12.

Cf Vdd Vdd Kontrola Okna Energetycznego OTA L I C Z N I K R E J E S T R Układ restytucji Wejście Wejście testowe CTEST -KV P A M I Ę Ć

Rys. 2.12. Schemat ideowy pojedynczej komórki układu XPAD3C [33].

Wzmacniacz ładunkowy jest oparty na strukturze zawiniętej kaskody i zawiera w sprzę-żeniu strukturę, która w przypadku układu XPAD3-S jest prostym tranzystorem MOS, pracującym w zakresie triodowym a w przypadku układu XPAD3-C jest wzmacniaczem transimpedancyjnym. Sygnał ze wzmacniacza ładunkowego zamieniany jest na prąd a na-stępnie podawany na dwa niezależne komparatory prądowe. Wzmocnienie toru

analogo-wego wynosi 0.3 nA/e− a szumy bez detektora to około 160 e− rms. Zakres energii, z

jakimi układ może pracować sięga do 60 keV. Szumy oszacowane z pomiarów z detekto-rem mozaikowym CdTe [33] wynoszą około 200 e− rms w trybie zliczania dziur oraz około 250 e− rms w trybie zliczania elektronów.

Rozdział 3

Wielokanałowy układ scalony

w technologii submikronowej

dla potrzeb detektorów

o wysokiej liczbie atomowej Z

System obrazowania cyfrowego, na który składa się układ scalony wraz z pozycyjnym detektorem promieniowania X, pracującym w trybie zliczania pojedynczych fotonów, po-winien charakteryzować się wysokim stopniem segmentacji, zarówno ze strony detektora jak i układu scalonego. Dodatkowym wymogiem dla układu scalonego przeznaczonego do odczytu detektorów zbudowanych z materiałów takich jak CdTe i GaAs, jest możli-wość pracy z prądem upływu detektora, który, będąc sygnałem niepożądanym, wpływa negatywnie na pracę toru odczytowego.

Ogólne wymagania, jakie powinien spełniać układ scalony przeznaczony do pracy z detektorami promieniowania X, zostały przedstawione w rozdziale 3. Na podstawie wy-mienionych założeń, zaprojektowano wielokanałowy układ scalony dla potrzeb obrazo-wania cyfrowego, który przeznaczony jest dla paskowych detektorów promienioobrazo-wania X, pracujących w trybie zliczania pojedynczych fotonów.

Założenia projektowe układu były następujące: • wielokanałowa struktura układu,

• niski pobór mocy (rzędu pojedynczych mW/kanał),

• możliwość pracy z wejściowymi impulsami o polarności dodatniej i ujemnej,

• wysoka jednorodność podstawowych parametrów (wzmocnienie, szumy, poziomy stałe napięć),

• programowalny zakres liniowej pracy z energiami generowanymi przez fotony z za-kresu od 5 keV do 100 keV,

• możliwość pracy z prądem upływu detektora (w zakresie od -10 nA do +10 nA),

• możliwość pracy z dużą częstością impulsów wejściowych do około 106

zliczeń na sekundę.

Prąd upływu. Detektory, dla których przeznaczony jest układ, charakteryzują się prą-dami upływu w zakresie kilku nA/pasek. Detektory CdTe z barierą Schottkiego cechują się zaś prądem upływu w zakresie pA/pasek (dla przypadku detektora o grubości 0.5 mm i wymiarach kontaktu 2x2 mm [51]). W przypadku detektorów GaAs prąd wynosi do 10 nA/pasek (dla przypadku detektora o grubości 250µ i średnicy kontaktu 0.75 mm [52]). Mając na uwadze wymaganie pracy układu z obiema polarnościami sygnału wej-ściowego, założony zakres prądu upływu detektora, dla którego układ powinien działać poprawnie to ± 10 nA/pasek.

Polarność impulsów wejściowych. Projektowany układ powinien mieć możliwość pracy zarówno z dodatnimi jak i z ujemnymi impulsami wejściowymi. Przykładem zasto-sowania układu do pracy z obiema polarnościami impulsów wejściowych mogą być rodziny detektorów CdZnTe oraz CdTe. W konfiguracji zbierania dziur detektory te nie nadają się dla zastosowań z dużą intensywnością impulsów wejściowych z powodu małej ruchliwości dziur, co przekłada się na długi czas zbierania ładunku. Dlatego też, w celu minimalizacji czasu zbierania ładunku, stosuje się detektory CdTe w konfiguracji zbierania elektronów, ponieważ elektrony charakteryzują się większą o rząd wielkości ruchliwością niż dziury (µe = 1500 cm2

/V·s, µh = 100 cm2

Wymagania szumowe. Energie promieniowania X dla jakich jest przeznaczony układ mieszczą się w zakresie od 5 keV do 100 keV. Z przedziału niskich energii najczęściej używaną laboratoryjną lampą rentgenowską jest lampa z katodą z miedzi. [53]. Energia charakterystyczna dla takiej lampy wynosi 8 keV. Foton o tej energii generuje w detekto-rze CdTe średnio 1800 elektronów. Wymaganie niskich szumów układu odczytowego (na poziomie 200 elektronów) jest podyktowane chęcią uzyskania stosunku sygnału do szumu na poziomie około 10/1.

Architektura wielokanałowa. Przy pracy z detektorami pozycyjnymi wymagany jest duży stopień segmentacji elektroniki odczytu. Z tego powodu pojawiają się dodatkowe obostrzenia projektowe dotyczące jednorodności parametrów układu takich jak wzmocnie-nie oraz poziomy stałe napięć na wejściu dyskryminatorów. Dodatkowym ograniczewzmocnie-niem jest maksymalny limit mocy przypadającej na pojedynczy kanał odczytowy (ok. 10 mW), tak aby uniknąć konieczności dodatkowego chłodzenia. W projektowanym układzie zde-cydowano się na umieszczenie w jednej strukturze 64 (lub 32) identycznych kanałów.

Praca z dużą częstością impulsów wejściowych. Projektowany układ powinien mieć możliwość pracy z dużą częstością impulsów wejściowych dochodzącą do 1 Mcps. Przekłada się to bezpośrednio na konieczność zastosowania układu równoważenia par biegun-zero (ang. Pole-Zero Cancellation), który ogranicza spiętrzenia impulsów oraz za-stosowaniu układu kształtującego o odpowiednio dobranych stałych czasowych.

Programowalny zakres maksymalnej energii, z jaką układ jest w stanie pracować w zakresie liniowym, pozwoli na pracę zarówno z energiami typowymi dla badań dyfrak-cyjnych (8 keV, 17.5 keV) jak również z energiami wykorzystywanymi w obrazowaniu medycznym (30 keV- angiografia, 60 keV - mammografia czy obrazowanie w stomatologii [54]).

Niniejszy rozdział przedstawia dobór architektury pojedynczego toru odczytowego, jak również całego układu scalonego. Ich budowa spełnia wyżej postawione założenia. W rozdziale została również zawarta szczegółowa analiza poszczególnych elementów ana-logowego toru układu pod kątem pracy z prądem upływu detektora.

3.1 Architektura układu

Schemat blokowy układu został przedstawiony na rysunku 3.1. Układ nosi nazwę SXDR64 (ang. Semiconductor X-ray Detector Readout 64-channel ) i składa się z 64 iden-tycznych kanałów odczytowych oraz dwóch kanałów testowych. Układ wyposażony został w obwód kalibracyjny, który generuje prądowe impulsy testujące o programowalnej am-plitudzie. W ten sposób przed połączeniem detektora, można zweryfikować poprawność działania układu i sprawdzić jego podstawowe parametry.

KANAŁ TESTOWY Wzmacniacz ładunkowy PZC BLR DYSKRYMINATOR A DYSKRYMINATOR B KANAŁ TESTOWY PZC BLR DYSKRYMINATOR A DYSKRYMINATOR B Generator impulsów testowych PRZETWORNIK C/A DEKODER KOMEND LICZNIK A & RAM LICZNIK B & RAM

LICZNIK A & RAM

LICZNIK B & RAM BLOK WE/WY

WE0 WE63 3-bitowy ADRES DANE WYJŚCIOWE 8-bitowe (LVDS) STROBE (LVDS) CLK_N (LVDS) CLK_P (LVDS) CMD_N (LVDS) CMD_P (LVDS) RESET (CMOS) Układ kształtujący Wzmacniacz ładunkowy TEST0 TEST1 Układ kształtujący

Rys. 3.1. Architektura układu SXDR64.

Komunikacja z układem odbywa się za pomocą różnicowego standardu LVDS, co po-zwala zmniejszyć zakłócenia występujące podczas transmisji. Układ wyposażony został w dekoder komend, który rozpoznaje wysyłane do niego ciągi bitów (komendy) i ustawia odpowiednie rejestry kontrolne oraz tryby pracy. Schemat ideowy pojedynczego kanału układu SXDR64 ilustruje rysunek 3.2.

Sygnał z detektora trafia na wejście wzmacniacza ładunkowego CSA (ang. CSA- charge sensitive amplifier ), który na swoim wyjściu posiada układ równoważenia par biegun-zero (PZC). Następnie sygnał podawany jest na układ kształtujący. Z wyjścia układu kształtu-jącego sygnał przechodzi przez kondensator Cbodcinający składową stałą i trafia na układ przywracania poziomu zerowego BLR (ang. Base-Line Restorer). Dwa dyskryminatory porównują ten sygnał z zadanymi wartościami progu dyskryminacji, które są wspólne dla całego układu. Jeżeli mierzona wartość przekracza zadany próg dyskryminacji (VT H),

dys--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 Układ równoważenia par biegun-zero Wzmacniacz ładunkowy

Rys. 3.2. Schemat ideowy kanału układu SXDR64.

kryminatory odpowiadają na swoim wyjściu stanem wysokim. Przy zamkniętych kluczach A i B, impulsy zliczane są w dwóch 20-bitowych licznikach. Po skończonym pomiarze war-tość liczników jest zapisywana do pamięci RAM, a następnie może być odczytana przez użytkownika systemu.

Wzmacniacz ładunkowy i układ PZC zostały zaprojektowane tak, aby poprawnie dzia-łać z prądem upływu detektora. Wahanie prądu upływu (spowodowane zmianami tem-peratury czy uszkodzeniami radiacyjnymi) powoduje zmiany poziomu stałego na wyjściu wzmacniacza ładunkowego, jak i sprzężonego z nim stałoprądowo układu kształtującego. W celu odcięcia wejścia dyskryminatora od wahań napięcia, zastosowano sprzężenie zmien-noprądowe pomiędzy układem kształtującym a dyskryminatorem.

Celem poprawy stosunku sygnału do szumu oraz zwiększenia maksymalnej częstości impulsów wejściowych z jaką układ może poprawnie pracować, zastosowano filtr czwartego rzędu z możliwością regulacji wzmocnienia oraz czasu osiągania wartości szczytowej.

Układ przywracania poziomu zerowego został zastosowany w celu zniwelowania ewen-tualnych wahań poziomu stałego za sprzężeniem AC, które są możliwe przy dużych często-ściach impulsów wejściowych. Układ BLR wykonany jest w oparciu o diodowo połączone tranzystory MOS, które generują rozrzuty poziomów stałych na wejściach dyskryminato-rów pomiędzy kanałami, dlatego też zdecydowano się na zastosowanie w każdym kanale indywidualnego układu korekcji.

Szczegółową analizę poszczególnych części układu odczytowego przeprowadzono poni-żej.

3.1.1 Wzmacniacz ładunkowy i układ równoważenia par