粒子探測器讀出電路數字濾波器設計

　　陳新光 李翔宇 孫義和 清華大學(xué)微電子學(xué)研究所(北京 100084)

　　摘要：本文介紹了用于數字譜儀系統的梯形濾波成形算法的結構設計，把算法分解成四個(gè)小模塊以降低設計難度，從所需要的運算資源、存儲資源以及是否會(huì )產(chǎn)生溢出或者是較大的截斷誤差等方面來(lái)考慮，為每個(gè)模塊選取合適的結構，還實(shí)現了延遲單元數可調的延遲模塊的設計，以適應不同的噪聲環(huán)境，最終實(shí)現了濾波器的整體結構。

　　關(guān)鍵字：讀出電路;梯形濾波成形算法;濾波器結構設計

　　引言

　　粒子探測系統是用于獲取基本粒子的能量或時(shí)間等信息的信號采集、處理系統，廣泛應用于高能物理、核物理、深空探測等輻射檢測中，是粒子物理等基礎學(xué)科研究的主要實(shí)驗裝置，同時(shí)普遍存在于核醫學(xué)、交通安保等應用核技術(shù)的生產(chǎn)生活領(lǐng)域。粒子探測器讀出電路是核電子學(xué)中很重要的一類(lèi)電路系統，它讀取來(lái)自核探測器的電荷信號，通過(guò)處理得到入射粒子的能量、時(shí)間和位置信息 [1]。

　　由于數字電路的發(fā)展，在上世紀九十年代，人們基于數字信號處理技術(shù)提出了新的脈沖能譜分析技術(shù)和系統，基于數字信號處理的讀出電路最大的好處在于其能更靈活地綜合成各種最佳濾波器，從而達到最高的信躁比，得到更好的能量分辨率[2]，而這些濾波器有些是很難或者是不可能通過(guò)模擬電路實(shí)現的。

　　梯形濾波成形算法，是將輸入的階躍信號或者指數衰減信號成形為梯形脈沖輸出，當只考慮電壓噪聲和電流噪聲時(shí)，且探測器電荷的收集時(shí)間不為零時(shí)，已經(jīng)證明，梯形濾波器是最優(yōu)濾波器[3]，并且適合用數字方法實(shí)現 [4]。本文給出了一種數字梯形濾波器的優(yōu)化的結構設計方法。

　　數字梯形濾波器的整體結構

　　針對讀出電路前置放大器輸出為指數衰減的情形，數字梯形濾波器的原理如圖1所示，它是將指數衰減的輸入信號轉換為梯形脈沖，其傳遞函數如下式所示。

　　()()()()()11211111klzBzzzGHzkz−−−−−−−−=− (1)

　　其中，Fτ為輸入指數信號的衰減時(shí)間常數;()sFexpBtτ=−為離散化參數，G為梯形濾波器的增益;梯形的上升沿寬度為k，上升沿與平頂寬度之和為l，因此平頂寬度為l-k。ts為對系統的采樣周期。實(shí)際使用中， 由前放反饋回路RF-CF的值或實(shí)驗預先確定，斜邊長(cháng)度k由噪聲特性確定，所以必須根據不同的噪聲環(huán)境調整斜邊長(cháng)度k，而平頂寬度則取決于探測器的電荷收集時(shí)間tC(前放輸出上升時(shí)間)[5]。

　　很明顯，可以將濾波器分解成四個(gè)子模塊，其傳遞函數可以表示為：

　　其中：

　　這樣分解的目的是降低了系統設計的復雜度，對整個(gè)濾波器采用一種結構形式來(lái)實(shí)現是不可能的，而且需要的運算資源太多，很難找到最優(yōu)的結構，所以一般采用簡(jiǎn)單的子模塊并聯(lián)或者是級聯(lián)的方法來(lái)實(shí)現復雜的濾波器的結構。多個(gè)子模塊級聯(lián)存在一個(gè)級聯(lián)順序的問(wèn)題，一般來(lái)說(shuō)，要求出最佳配對和級聯(lián)次序是很難的，但是可以通過(guò)遵循一些簡(jiǎn)單的規則就幾乎可以得到好的結果，這些規則主要是為了避免具有高的峰值增益的子系統，因為它們可能會(huì )引起溢出，并且可能把量化噪聲擴大[6]。在我們這個(gè)具體應用中，()1Hz的輸出是會(huì )產(chǎn)生溢出，但是經(jīng)過(guò)分析這個(gè)溢出對運算結果沒(méi)有影響，所以可以把()1Hz安排在第一級，而為了避免剩下的積分單元產(chǎn)生溢出，把積分單元()4Hz安排在最后一級，其他兩個(gè)的模塊的結構一樣，先后次序沒(méi)什么影響，這樣，確定了梯形濾波器各個(gè)子模塊的次序。