粒子探測器讀出電路數(shù)字濾波器設(shè)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(shù)字譜儀系統(tǒng)的梯形濾波成形算法的結(jié)構(gòu)設(shè)計，把算法分解成四個小模塊以降低設(shè)計難度，從所需要的運算資源、存儲資源以及是否會產(chǎn)生溢出或者是較大的截斷誤差等方面來考慮，為每個模塊選取合適的結(jié)構(gòu)，還實現(xiàn)了延遲單元數(shù)可調(diào)的延遲模塊的設(shè)計，以適應(yīng)不同的噪聲環(huán)境，最終實現(xiàn)了濾波器的整體結(jié)構(gòu)。

　　關(guān)鍵字：讀出電路;梯形濾波成形算法;濾波器結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　引言

　　粒子探測系統(tǒng)是用于獲取基本粒子的能量或時間等信息的信號采集、處理系統(tǒng)，廣泛應(yīng)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(chǔ)學(xué)科研究的主要實驗裝置，同時普遍存在于核醫(yī)學(xué)、交通安保等應(yīng)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)中很重要的一類電路系統(tǒng)，它讀取來自核探測器的電荷信號，通過處理得到入射粒子的能量、時間和位置信息 [1]。

　　由于數(shù)字電路的發(fā)展，在上世紀(jì)九十年代，人們基于數(shù)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(tǒng)，基于數(shù)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(dá)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模擬電路實現(xiàn)的。

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

　　數(shù)字梯形濾波器的整體結(jié)構(gòu)

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

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

　　其中，F(xiàn)τ為輸入指數(shù)信號的衰減時間常數(shù);()sFexpBtτ=−為離散化參數(shù)，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(tǒng)的采樣周期。實際使用中， 由前放反饋回路RF-CF的值或?qū)嶒烆A(yù)先確定，斜邊長度k由噪聲特性確定，所以必須根據(jù)不同的噪聲環(huán)境調(diào)整斜邊長度k，而平頂寬度則取決于探測器的電荷收集時間tC(前放輸出上升時間)[5]。

　　很明顯，可以將濾波器分解成四個子模塊，其傳遞函數(shù)可以表示為：

　　其中：

　　這樣分解的目的是降低了系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜度，對整個濾波器采用一種結(jié)構(gòu)形式來實現(xiàn)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(jié)構(gòu)，所以一般采用簡單的子模塊并聯(lián)或者是級聯(lián)的方法來實現(xiàn)復(fù)雜的濾波器的結(jié)構(gòu)。多個子模塊級聯(lián)存在一個級聯(lián)順序的問題，一般來說，要求出最佳配對和級聯(lián)次序是很難的，但是可以通過遵循一些簡單的規(guī)則就幾乎可以得到好的結(jié)果，這些規(guī)則主要是為了避免具有高的峰值增益的子系統(tǒng)，因為它們可能會引起溢出，并且可能把量化噪聲擴大[6]。在我們這個具體應(yīng)用中，()1Hz的輸出是會產(chǎn)生溢出，但是經(jīng)過分析這個溢出對運算結(jié)果沒有影響，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，其他兩個的模塊的結(jié)構(gòu)一樣，先后次序沒什么影響，這樣，確定了梯形濾波器各個子模塊的次序。