The 25 reference contexts in paper O. Dvornikov V., V. Tchekhovski A., V. Diatlov L., О. Дворников В., В. Чеховский А., В. Дятлов Л. (2015) “СРЕДСТВА РЕГИСТРАЦИИ ИМПУЛЬСНОГО ВИДИМОГО ИЗЛУЧЕНИЯ МАЛОЙ ИНТЕНСИВНОСТИ. Часть 2. ПРЕДВАРИТЕЛЬНАЯ ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ КРЕМНИЕВЫХ ФОТОЭЛЕКТРОННЫХ УМНОЖИТЕЛЕЙ. ОБЗОР // EQUIPMENTS TO SINGLE PHOTON REGISTRATION. Part 2. SILICON PHOTOMULTIPLIER SIGNAL PRELIMINARY PROCESSING. (Review)” / spz:neicon:pimi:y:2013:i:1:p:5-13

  1. Start
    1083
    Prefix
    (E-mail: oleg_dvornikov@tut.by) Ключевые слова: кремниевый фотоэлектронный умножитель, считывающая электроника, радиационно-стойкие аналоговые микросхемы, компаратор, трансрезистивный усилитель. Введение Нами ранее установлено
    Exact
    [1]
    Suffix
    , что реализация нечувствительных к магнитному полю оптикоэлектронных систем с однофотонным разрешением целесообразна на основе кремниевых фотоэлектронных умножителей (Silicon Photomultiplier, SiPM).
    (check this in PDF content)

  2. Start
    2713
    Prefix
    нагрузочный резистор RL (с сопротивлением в диапазоне от 1 до 20 кОм) с шиной нулевого потенциала или с регулируемым источником напряжения (цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) на рисунке 1в), применяемым для точной подстройки коэффициента усиления. Чаще всего считывание сигнала SiPM осуществляется с помощью трансрезистивного усилителя (ТРУ) или зарядочувствительного усилителя (ЗЧУ)
    Exact
    [2]
    Suffix
    . Иногда применяется быстродействующий усилитель в режиме сумматора (рисунок 1г) для выработки синхронизирующего импульса (узел TRG) по сумме сигналов всех каналов. Обычно фотодетектор соединен со схемой считывания по переменному сигналу через разделительный конденсатор, не превышающий десятков нанофарад (рисунки 1а, б; на рисунке 1в разделительный конденсатор располож
    (check this in PDF content)

  3. Start
    3540
    Prefix
    внутри интегральной схемы (ИС), как показано далее на рисунке 4), так как низкочастотная составляющая входного сигнала не содержит полезной информации. а б в г Рисунок 1 – Типовые схемы включения SiPM. а: 1 – трансрезистивный усилитель c 50-омным входным сопротивлением типа VT120; 2 – усилитель-дискриминатор 9327 фирмы Ortec
    Exact
    [6]
    Suffix
    ; б: 1 – трансрезистивный усилитель c 50-омным входным сопротивлением [4]; в: 1 – 8-разрядный цифро-аналоговый преобразователь [10]; г: 1, 2 – двухкаскадный усилитель на базе ОУ AD8002 [7] Для термостабилизации режима работы в интегрирующей цепи применяют параллельное соединение резистора и термистора.
    (check this in PDF content)

  4. Start
    3611
    Prefix
    как низкочастотная составляющая входного сигнала не содержит полезной информации. а б в г Рисунок 1 – Типовые схемы включения SiPM. а: 1 – трансрезистивный усилитель c 50-омным входным сопротивлением типа VT120; 2 – усилитель-дискриминатор 9327 фирмы Ortec [6]; б: 1 – трансрезистивный усилитель c 50-омным входным сопротивлением
    Exact
    [4]
    Suffix
    ; в: 1 – 8-разрядный цифро-аналоговый преобразователь [10]; г: 1, 2 – двухкаскадный усилитель на базе ОУ AD8002 [7] Для термостабилизации режима работы в интегрирующей цепи применяют параллельное соединение резистора и термистора.
    (check this in PDF content)

  5. Start
    3668
    Prefix
    полезной информации. а б в г Рисунок 1 – Типовые схемы включения SiPM. а: 1 – трансрезистивный усилитель c 50-омным входным сопротивлением типа VT120; 2 – усилитель-дискриминатор 9327 фирмы Ortec [6]; б: 1 – трансрезистивный усилитель c 50-омным входным сопротивлением [4]; в: 1 – 8-разрядный цифро-аналоговый преобразователь
    Exact
    [10]
    Suffix
    ; г: 1, 2 – двухкаскадный усилитель на базе ОУ AD8002 [7] Для термостабилизации режима работы в интегрирующей цепи применяют параллельное соединение резистора и термистора. Таким способом было достигнуто температурное изменение усиления SiPM менее 0,1 % в диапазоне температур от минус 18 до минусм 8°С [3].
    (check this in PDF content)

  6. Start
    3726
    Prefix
    в г Рисунок 1 – Типовые схемы включения SiPM. а: 1 – трансрезистивный усилитель c 50-омным входным сопротивлением типа VT120; 2 – усилитель-дискриминатор 9327 фирмы Ortec [6]; б: 1 – трансрезистивный усилитель c 50-омным входным сопротивлением [4]; в: 1 – 8-разрядный цифро-аналоговый преобразователь [10]; г: 1, 2 – двухкаскадный усилитель на базе ОУ AD8002
    Exact
    [7]
    Suffix
    Для термостабилизации режима работы в интегрирующей цепи применяют параллельное соединение резистора и термистора. Таким способом было достигнуто температурное изменение усиления SiPM менее 0,1 % в диапазоне температур от минус 18 до минусм 8°С [3].
    (check this in PDF content)

  7. Start
    3991
    Prefix
    [4]; в: 1 – 8-разрядный цифро-аналоговый преобразователь [10]; г: 1, 2 – двухкаскадный усилитель на базе ОУ AD8002 [7] Для термостабилизации режима работы в интегрирующей цепи применяют параллельное соединение резистора и термистора. Таким способом было достигнуто температурное изменение усиления SiPM менее 0,1 % в диапазоне температур от минус 18 до минусм 8°С
    Exact
    [3]
    Suffix
    . Моделирование формы выходного сигнала Форма выходного сигнала SiPM определяется параметрами используемых полупроводниковых, тонкопленочных слоев и топологией ячейки. Для моделирования в Spice-подобных программах выходного сигнала SiPM предложена эквивалентная электрическая схема, показанная на рисунке 2 [4].
    (check this in PDF content)

  8. Start
    4303
    Prefix
    Моделирование формы выходного сигнала Форма выходного сигнала SiPM определяется параметрами используемых полупроводниковых, тонкопленочных слоев и топологией ячейки. Для моделирования в Spice-подобных программах выходного сигнала SiPM предложена эквивалентная электрическая схема, показанная на рисунке 2
    Exact
    [4]
    Suffix
    . Эквивалентная схема описывает фотодетектор, состоящий из N ячеек, часть из которых находятся в активном режиме (лавина развивается), другая – в пассивном, а также учитывает внешние элементы, необходимые для установки рабочего режима и подключения к SiPM электроники считывания.
    (check this in PDF content)

  9. Start
    4715
    Prefix
    Эквивалентная схема описывает фотодетектор, состоящий из N ячеек, часть из которых находятся в активном режиме (лавина развивается), другая – в пассивном, а также учитывает внешние элементы, необходимые для установки рабочего режима и подключения к SiPM электроники считывания. Рисунок 2 – Эквивалентная электрическая схема SiPM
    Exact
    [4]
    Suffix
    Элементы на рисунке 2 характеризуют: CD, RD – емкость и сопротивление (при наличии лавины) диода одной ячейки; CQ – паразитную емкость межсоединений (металлизации); RQ – сопротивление гасящего лавину резистора; CS – паразитную емкость с подложкой; VEBV – источник напряжения, VEBV = VBIASVBR; VBIAS – напряжение смещения; VBR – пробивное напряжение диода ячейки; переход ключа
    (check this in PDF content)

  10. Start
    5553
    Prefix
    включение лавины, а переход из состояния «замкнуто» в состояние «разомкнуто» – гашение лавины; резистор 1 кОм и конденсатор 10 нФ – внешние элементы схемы включения (рисунок 1б); резистор 50 Ом и конденсатор 16 пФ характеризуют входные параметры ТРУ (рисунок 1б). Адекватность эквивалентной схемы проверена при сравнении результатов моделирования и измерений двух SiPM фирмы FBK
    Exact
    [4]
    Suffix
    . Установлено, что результаты моделирования формы выходного сигнала SiPM достаточно точно соответствуют измерениям. Анализ динамических параметров различных кремниевых фотоумножителей выполнен в [5] с использованием широкополосного (0,01– 500 МГц) усилителя с входным сопротивлением 50 Ом.
    (check this in PDF content)

  11. Start
    5755
    Prefix
    Установлено, что результаты моделирования формы выходного сигнала SiPM достаточно точно соответствуют измерениям. Анализ динамических параметров различных кремниевых фотоумножителей выполнен в
    Exact
    [5]
    Suffix
    с использованием широкополосного (0,01– 500 МГц) усилителя с входным сопротивлением 50 Ом. Полученные результаты обобщены в таблице 1. Особенности считывающей электроники Для обработки сигналов кремниевых фотоумножителей часто используют электронные модули на основе микросхем общего применения [4, 6, 7].
    (check this in PDF content)

  12. Start
    6063
    Prefix
    Полученные результаты обобщены в таблице 1. Особенности считывающей электроники Для обработки сигналов кремниевых фотоумножителей часто используют электронные модули на основе микросхем общего применения
    Exact
    [4, 6, 7]
    Suffix
    . При этом удается получить относительно высокий уровень параметров системы фотоприемник – считывающая электроника за исключением потребляемой мощности и габаритов. В связи с указанным, предпринимались попытки обработки сигналов SiPM ранее созданными ИС, оптимизированными для работы с детекторами других типов.
    (check this in PDF content)

  13. Start
    6443
    Prefix
    В связи с указанным, предпринимались попытки обработки сигналов SiPM ранее созданными ИС, оптимизированными для работы с детекторами других типов. Таблица 1 Длительность фронта спада для различных SiPM
    Exact
    [5]
    Suffix
    Наименование фирмы Размер ячейки, мкм Длительность фронта спада, нс Photonique 43 × 43 > 300 Fondazione Bruno Kessler 40 × 40 50 ÷ 80 SensL 20 × 20 75 SensL 35 × 35 130 SensL 50 × 50 220 Hamamatsu Photonics K.
    (check this in PDF content)

  14. Start
    6779
    Prefix
    Наименование фирмы Размер ячейки, мкм Длительность фронта спада, нс Photonique 43 × 43 > 300 Fondazione Bruno Kessler 40 × 40 50 ÷ 80 SensL 20 × 20 75 SensL 35 × 35 130 SensL 50 × 50 220 Hamamatsu Photonics K.K. 25 × 25 10 Hamamatsu Photonics K.K. 50 × 50 30 Hamamatsu Photonics K.K. 100 × 100 80 Так, для считывания сигналов 16-канальной матрицы кремниевых фотоумножителей
    Exact
    [8]
    Suffix
    использовалась микросхема MAROC2, созданная для работы с вакуумным фотоумножителем H7564 фирмы Hamamatsu. Каждый из 64 каналов ИС содержит малошумящий ЗЧУ со ступенчатой регулировкой коэффициента преобразования заряд-напряжение (KQV) в диапазоне 6 разрядов и два активных полосовых фильтра, улучшающих отношение сигнал/шум.
    (check this in PDF content)

  15. Start
    7390
    Prefix
    Обработка фильтром сигнала ЗЧУ приводит к появлению импульса специальной формы, поэтому такой активный фильтр в ядерной электронике называется усилителем-формирователем (УФ), а его динамические характеристики описываются не полосой пропускания, а временем пика выходного импульса
    Exact
    [2]
    Suffix
    . В ИС MAROC2 к выходу «быстрого» УФ с временем пика менее 15 нс подключен дискриминатор для выработки временной отметки о поступлении импульса на вход ЗЧУ. «Медленный» УФ допускает регулировку времени пика в диапазоне от 50 до 150 нс.
    (check this in PDF content)

  16. Start
    8918
    Prefix
    считывающей электроники с фотодетектором (допускается подключение через разделительный конденсатор); – не применять для получения низкого уровня шумов последовательное соединение малошумящего ЗЧУ и УФ со временем пика порядка единиц микросекунд. В соответствии с новыми требованиями в последнее время созданы ИС, ориентированные на работу с SiPM. Например, в работе
    Exact
    [9]
    Suffix
    рассмотрена 8-канальная микросхема для работы с SiPM, разработанная с целью получения максимально возможного быстродействия дискриминатора, снижения флуктуаций его задержки и обеспечения динамического диапазона преобразования токнапряжение около 60 дБ.
    (check this in PDF content)

  17. Start
    9704
    Prefix
    ТРУ с отрицательной обратной связью (ООС) по току, схему преобразования дифференциального выходного напряжения в синфазный токовый сигнал, токовый дискриминатор, расширитель выходного импульса, блок индивидуальной установки порогов дискриминаторов, цифровой интерфейс. а б в г Рисунок 3 – Основные схемотехнические решения специализированной ИС для SiPM
    Exact
    [9]
    Suffix
    : а – дифференциальный съем токового сигнала с фотодетектора; б – половина дифференциального трансрезистивного усилителя (A и B на рисунке 3а); в – схема преобразования дифференциального выходного напряжения трансрезистивного усилителя в синфазный токовый сигнал; г – токовый дискриминатор Применение ТРУ обусловлено тем, что такое схемотехническое решение обычно обеспечивает больший динамическ
    (check this in PDF content)

  18. Start
    10257
    Prefix
    усилителя (A и B на рисунке 3а); в – схема преобразования дифференциального выходного напряжения трансрезистивного усилителя в синфазный токовый сигнал; г – токовый дискриминатор Применение ТРУ обусловлено тем, что такое схемотехническое решение обычно обеспечивает больший динамический диапазон и быстродействие при емкостном источнике сигнала, чем усилитель напряжения и ЗЧУ
    Exact
    [2]
    Suffix
    . Кроме того, дифференциальная структура ТРУ с ООС по току дополнительно в 2 раза увеличивает полосу пропускания и уменьшает входное сопротивление, а также значительно увеличивает устойчивость к синфазным помехам.
    (check this in PDF content)

  19. Start
    11011
    Prefix
    Заметим, что расширитель импульса обычно применяется для того, чтобы увеличить длительность выходного импульса дискриминатора при кратковременном превышении его порога и сделать длительность импульса дискриминатора достаточной для обработки последующими каскадами
    Exact
    [2]
    Suffix
    . ИС изготовлена по SiGe-технологии фирмы Austria-Micro-System (AMS) с проектной нормой 0,35 мкм и обеспечивает следующие параметры [9]: – длительность фронта нарастания выходного напряжения дискриминатора – около 2 нс; – максимальный входной ток – 160 мкА, что соответствует сигналу 1000 ячеек SiPM; – максимальная рассеиваемая мощность не превышает 16 мВт/канал.
    (check this in PDF content)

  20. Start
    11156
    Prefix
    импульса обычно применяется для того, чтобы увеличить длительность выходного импульса дискриминатора при кратковременном превышении его порога и сделать длительность импульса дискриминатора достаточной для обработки последующими каскадами [2]. ИС изготовлена по SiGe-технологии фирмы Austria-Micro-System (AMS) с проектной нормой 0,35 мкм и обеспечивает следующие параметры
    Exact
    [9]
    Suffix
    : – длительность фронта нарастания выходного напряжения дискриминатора – около 2 нс; – максимальный входной ток – 160 мкА, что соответствует сигналу 1000 ячеек SiPM; – максимальная рассеиваемая мощность не превышает 16 мВт/канал.
    (check this in PDF content)

  21. Start
    11491
    Prefix
    и обеспечивает следующие параметры [9]: – длительность фронта нарастания выходного напряжения дискриминатора – около 2 нс; – максимальный входной ток – 160 мкА, что соответствует сигналу 1000 ячеек SiPM; – максимальная рассеиваемая мощность не превышает 16 мВт/канал. Другим примером специализированной ИС (рисунок 4) является микросхема SPIROC (SiPM Integrated Read-Out Chip)
    Exact
    [10]
    Suffix
    , которая предназначена для считывания токового сигнала по 36 параллельным каналам, определения момента достижения им максимума по каждому из каналов без использования сигналов внешней синхронизации, хранения, оцифровки сигналов и передачи данных для дальнейшей обработки.
    (check this in PDF content)

  22. Start
    12099
    Prefix
    ИС содержит часть схемы, задающей рабочий режим фотодетектора, а именно 36канальный микромощный 8-разрядный ЦАП, с помощью которого изменяется потенциал сигнального входа, подключаемого непосредственно к SiPM (без разделительного конденсатора). Рисунок 4 – Упрощенная схема специализированной ИС SPIROC
    Exact
    [10]
    Suffix
    : 1 – 36-канальный 8-разрядный цифро-аналоговый преобразователь; 2 – зарядочувствительный усилитель с «малым» усилением; 3 – зарядочувствительный усилитель с «большим» усилением; 4 – «медленный» усилительформирователь; 5 – «быстрый» усилитель-формирователь; 6 – одноканальный 10-разрядный цифро-аналоговый преобразователь для установки порога всех каналов; 7 – 4-разрядное устройство подстройки по
    (check this in PDF content)

  23. Start
    13599
    Prefix
    обеспечивается парой ЗЧУ, подключаемых параллельно к каждому входу ИС через интегральные конденсаторы различного номинала: 1,5 пФ для ЗЧУ с «малым» усилением и 15 пФ для ЗЧУ с «большим» усилением. Каждый ЗЧУ также имеет ступенчатую регулировку усиления за счет подключения конденсаторов ООС величиной от 0,1 до 1,5 пФ. К выходам ЗЧУ подключен «медленный» УФ типа CR-RC2
    Exact
    [2]
    Suffix
    , время пика которого регулируется в пределах от 25 до 175 нс, и аналоговое запоминающее устройство (ЗУ) глубиной 16 ячеек для хранения мгновенных значений выходного сигнала УФ. Каждый канал имеет независимую схему регистрации момента поступления входного импульса, включающую «быстрый» УФ со временем пика около 15 нс, дискриминатор с 4-разрядной подстройкой порога срабатывания
    (check this in PDF content)

  24. Start
    17832
    Prefix
    1-3» созданы одно- и двухканальные специализированные ИС, каждая из которых включает быстродействующий компаратор Comp 1-5 и различные схемы трансрезистивных усилителей (Ampl 1-14, Ampl 1-15, Ampl 1-17). Все усилители содержат входной каскад на малошумящем n-p-n транзисторе с общей базой, несколько дифференциальных каскадов (ДК) с резистивной нагрузкой и выходные эмиттерные повторители
    Exact
    [11]
    Suffix
    . Схемотехнически ТРУ отличаются разным режимом работы головного биполярного транзистора, количеством усилительных ДК, использованием в некоторых ДК каскадного включения транзисторов. При разработке схем ТРУ и компаратора Comp 1-5 использованы основные правила проектирования радиационно-стойких ИС [12]: – все ИС имеют дифференциальную структуру, причем выходной сигна
    (check this in PDF content)

  25. Start
    18149
    Prefix
    Схемотехнически ТРУ отличаются разным режимом работы головного биполярного транзистора, количеством усилительных ДК, использованием в некоторых ДК каскадного включения транзисторов. При разработке схем ТРУ и компаратора Comp 1-5 использованы основные правила проектирования радиационно-стойких ИС
    Exact
    [12]
    Suffix
    : – все ИС имеют дифференциальную структуру, причем выходной сигнал также снимается между двумя выводами; – исключено применение горизонтальных p-n-p транзисторов; – максимально увеличена плотность эмиттерного тока; – резисторы сформированы на сильнолегированном полупроводниковом слое p-базы n-p-n транзистора.
    (check this in PDF content)