Układy odczytowe dla detektorów paskowych

2.2.1 Układy projektowane przez BNL

Jednym z zespołów zajmujących się projektowaniem układów scalonych dla obrazowa-nia cyfrowego z wykorzystaniem detektorów półprzewodnikowych jest grupa Instrumenta-tion Division w Brookhaven NaInstrumenta-tional Laboratory w Stanach Zjednoczonych. Wieloletnie doświadczenie pozwoliło grupie opracować układy scalone, cechujące się bardzo dobrymi parametrami zarówno szumowymi jak i szybkościowymi. Jednym z najlepszych układów jest układ scalony zaprezentowany w pracy [34], przeznaczony do zastosowania z detekto-rami CdZnTe. Schemat blokowy pojedynczego kanału odczytowego został przedstawiony na rysunku 2.2.

Klasyczna struktura toru odczytowego kryje za sobą nowatorskie rozwiązania poszcze-gólnych elementów, zwłaszcza układu PZC, dostosowanego do pracy z detektorami typu DC. Schemat ideowy wzmacniacza ładunkowego, z wyszczególnionym blokiem sprzężenia zwrotnego i układu PZC, przedstawia rysunek 2.3.

Wzmacniacz Ładunkowy Układ resetujący Kompensacja par biegun - zero Układ Kształtujący Stopień wyjściowy Układ podtrzymywania poziomu zerowego Wejście Wyjście IoutPZC

Rys. 2.2. Schemat blokowy układu [34].

C

=C

x N

M

M

C

V

- A

I

I

Rys. 2.3. Schemat wzmacniacza ładunkowego wraz z układem kompensacji par biegun-zero [35].

Tranzystory Mf i Mpzc pracują w zakresie nasycenia. Ich efektywne rezystancje wyno-szą Rf i Rpzc. Zakładając, że sygnał wejściowy wynosi:

Idet = ^dQwe

dt (2.1)

oraz, że napięcie na wyjściu wzmacniacza ładunkowego (punkt X) to:

VX = Idet· ^Rf

sCfRf + 1 (2.2)

można otrzymany na wyjściu układu PZC prąd wyrazić zależnością:

Iout = −_sC^QweRf

fRf + 1 · ^sCpzc_R^{Rpzc+ 1}

pzc

(2.3) W celu usunięcia pary biegun - zero wartości kondensatora Cpzc oraz efektywnej rezy-stancji tranzystora Mpzc dobrano tak, by spełniały zależność:

CpzcRpzc = CfRf (2.4) Po zastosowaniu tak dobranych wartości prąd wyjściowy z układu wzmacniacz ładun-kowy - układ PZC wynosi:

I_{outP ZC} = −^{Qwe· Cpzc} Cf

(2.5) Impuls prądowy na wyjściu układu PZC jest pozbawiony długiej stałej czasowej, co po-zwala na pracę układu z wyższą częstością impulsów wejściowych. Dokładny opis przed-stawianego wzmacniacza ładunkowego i układu PZC wraz z wnikliwą analizą szumową został przedstawiony w pracy [35].

Układ kształtujący w prezentowanym układzie scalonym jest filtrem piątego rzędu. Rząd filtru został tak dobrany, aby skrócić czas trwania impulsu przy podstawie i zwięk-szyć stosunek sygnału do szumu.

Za układem kształtującym zastosowany został stopień wyjściowy, który jest wzmac-niaczem klasy AB „rail-to-rail”. Układ podtrzymania poziomu zerowego (ang. Base Line Holder ), redukuje wpływ prądu upływu na przesuwanie się linii bazowej na wyjściu układu [36]).

Układ scalony zawiera 16 kanałów odczytowych [34] o wyżej opisanej architekturze, wykonanych w technologii 0.5 µm. Szumy, zmierzone po połączeniu układu z detekto-rem CdZnTe o pojemności 2 pF, przy prądzie upływu 1 nA oraz ładunku 1 fC, wynoszą

ENC = 93 e− rms. Moc pobierana przez układ wynosi 18 mW / kanał, a jego rozmiary

to 5.1 mm x 3.7 mm.

2.2.2 Układ KW03

Kolejną grupą naukową, zajmującą się projektowaniem układów scalonych dla obra-zowania cyfrowego, jest grupa naukowców z japońskiej organizacji kosmicznej JAXA [37] oraz wydziału fizyki Tokijskiego Uniwersytetu pod kierownictwem prof. Tadayuki Taka-hashi. Do dorobku grupy prof. Takahashiego należy wiele układów scalonych dla celów obrazowania z wykorzystaniem detektorów CdTe [38, 39, 40]. Przedstawiony poniżej układ został zaprezentowany na konferencji Nuclear Science Symposium w roku 2009.

Składa się z 32 kanałów i zajmuje powierzchnię 3 mm x 7.5 mm. Rysunek 2.4 przedstawia strukturę pojedynczego kanału.

IIN RF C_FED PREAMP Blok kompensacji prądu upływu BUFF BUFF NOTA BUFF BUFF NOTA BUFF Wybór polarności Przetwornik C/A [0:3] Komp VTR ONE SHOT RPZC1 RPZC2 C0 C1 R1 R2 C2 C3 HOLD Wyjscie analogowe SEL C0' ^C1' R1' R2' C2' Tryger cyfrowy

Rys. 2.4. Schemat kanału układu KW03 [41].

W kanale zastosowano za wzmacniaczem ładunkowym dwa równoległe układy kształ-tujące. Układ kształtujący o długim czasie osiągania wartości szczytowej tp (wolny) po-siada na swoim wyjściu układ próbkująco-pamiętający. Wyjście z tego układu niesie ze sobą informację o amplitudzie impulsu. Układ kształtujący o krótkim czasie tp (szybki) z dyskryminatorem rejestruje moment przyjścia impulsu. Czasy osiągnięcia wartości szczy-towej układów kształtujących wynoszą od 2 do 4 µs dla układu wolnego oraz 600 ns dla układu szybkiego.

Moc pobierana przez układ wynosi 1.6 - 3 mW na kanał, przy zasilaniu ± 1.65 V. Z wyników pomiarów przedstawionych w literaturze wynika, że układ bez podłączonego

detektora osiąga szumy poniżej 100 e− rms. Szumy jednak znacznie wzrastają po

pod-łączeniu paskowego detektora CdTe. W temperaturze pokojowej, układ z podłączonym detektorem, osiąga rozdzielczość FWHM = 5 keV (przy oświetlaniu fotonami o energii 60 keV). Biorąc pod uwagę, że współczynnik konwersji energii na parę elektron-dziura dla CdTe wynosi 4.43 eV/e-h, daje to około 470 e− rms.

2.2.3 Układ RENA 3

RENA 3 [42] jest 32-kanałowym układem scalonym zaprojektowanym przez firmę NOVA R&D ze Stanów Zjednoczonych. Niestety doniesienia literaturowe bardzo skąpo

opisują budowę wewnętrzną układu RENA-3, dlatego zostanie przedstawiony jedynie sche-mat blokowy.

Każdy kanał układu RENA-3 zawiera wzmacniacz ładunkowy z układem restytucji [34], układ równoważenia par biegun-zero, układ różniczkujący oraz dwa układy kształ-tujące pracujące równolegle (o krótkim i długim czasie osiągania wartości szczytowej, rys. 2.5). Kompensacja par biegun - zero Komparator Komparator Detektor szczytowy Iin Detektor Wolny tryger Szybki tryger Wzmacniacz ładunkowy Układ restytucji Układ różniczkujący Układ kształtujący "wolny" Układ kształtujący "szybki" Wyjście analogowe

Rys. 2.5. Schemat blokowy układu RENA-3.

Układ równoważenia par biegun-zero jest w stanie pracować poprawnie ze średnią czę-stością impulsów wejściowych do ok. 200 kcps (ang. cps - counts per second). Układy kształtujące posiadają programowalny czas osiągania wartości szczytowej w zakresie od 290 ns do 38 µs. Wzmocnienie układu jest programowalne. Maksymalny zakres energii, z jakimi układ może pracować z podłączonym detektorem CdTe, może być ustawiany w dwóch zakresach: do 250 keV oraz do 1.5 MeV. RENA-3 posiada układ kompensacji prądu upływu w zakresie ±5 nA. Maksymalna moc pobierana przez układ wynosi 6 mW na kanał. W celu zminimalizowania poboru mocy istnieje możliwość wyłączenia nieuży-wanych kanałów. Szumy układu, zmierzone z podłączonym detektorem CdZnTe, wynoszą 150 e− rms dla zakresu pracy do 250 keV oraz 280 e− rms dla zakresu pracy do 1.5 MeV. Moc pobierana podczas pracy układu wynosi 5 mW / kanał.

2.2.4 Układ DEDIX

Układ DEDIX [43] został zaprojektowany w technologii CMOS 0.35 µm i posiada 64 kanały odczytowe. Schemat pojedynczego kanału przedstawiony został na rysunku 2.6. Powierzchnia zajmowana przez układ wynosi 3.9 mm x 5 mm.

wzmac-K1 -K K=1 K=1 Licznik A Licznik B Dyskryminatory VTA1 VTA2 VTB1 VTB2 Mf0-9 MPZ0-19 VGATE Cf Cd Ct K2 Wejście test Układ korekcji Układ kształtujący Wyjście A Wyjście B

Rys. 2.6. Schemat kanału układu DEDIX [43].

niaczem znajduje się układ kompensacji par biegun-zero, pozwalający na pracę z

wyż-szymi częstościami impulsów wejściowych. Układ kształtujący CR-(RC)2

o czasie kształ-towania impulsu 160 ns jest podłączony do dwóch niezależnych dyskryminatorów, wy-posażonych w 8-bitowe przetworniki korekcyjne, w celu minimalizacji rozrzutu poziomów stałych na wejściach dyskryminatorów pomiędzy kanałami. Impulsy z dyskryminatorów są zliczane w 20-bitowych licznikach.

Układ DEDIX został zaprojektowany do pracy z detektorami krzemowymi. Przepro-wadzono na nim również testy z detektorami GaAs [44]. Charakteryzowały się one prądem upływu w zakresie od 5 nA do 30 nA, dlatego też, w celu minimalizacji tego prądu detek-tory były chłodzone. Testy zostały przeprowadzone z promieniowaniem gamma (60 keV). Otrzymana rozdzielczość to 3.4 keV FWHM, co przy współczynniku konwersji energii na parę elektron-dziura dla GaAs (≈4.2) przekłada się na szum 344 e− rms.

2.2.5 Układ CERN-DxCTA

Układ CERN_DxCTA [32] został zaprojektowany w technologii CMOS 0.25 µm. Za-wiera 128 kanałów odczytowych i przeznaczony jest do pracy z detektorami CdTe. Każdy kanał układu składa się ze wzmacniacza ładunkowego, układu kształtującego oraz dwóch niezależnych dyskryminatorów z 18-bitowymi licznikami (rys. 2.7). Dyskryminatory wy-posażone są w 5-bitowy układ korekcji, pozwalający na zniwelowanie rozrzutów poziomów stałych na wejściach dyskryminatorów pomiędzy kanałami.

Czas osiągania wartości szczytowej sygnału na wyjściu układu kształtującego wynosi 20 ns. Średnia wartość wzmocnienia wynosi 143.5 mV/fC. Szumy oszacowane z wykorzy-staniem impulsów kalibracyjnych podawanych na wejście testowe wynoszą 430 e− rms bez

Układ Kształtujący Licznik H trim DAC trim DAC Wzmacniacz ładunkowy Cf Referencje 18 Licznik L 18 Wejście Wejście Testowe Wzmacniacz różnicowy ^Komparator Wzmacniacz różnicowy ^Komparator

Rys. 2.7. Schemat kanału układu DxCTA [32].

podpiętego detektora i wzrastają o 56 e− rms na każdy pikofarad pojemności detektora. Pobór mocy wynosi około 2.1 mW / kanał. Układ został przetestowany z detektorem CdTe podzielonym na matrycę o rozmiarach 16 x 16 pikseli, gdzie powierzchnia pojedynczego piksela wynosi 1 x 1 mm2

. Dzięki krótkiej stałej czasowej układ może poprawnie liczyć fotony do częstości średniej około 3.5 miliona zliczeń na sekundę.