CN113676165A - 一种光电器件脉冲宽度调制方法及外置淬灭辅助电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光电器件脉冲宽度调制方法及外置淬灭辅助电路。本方法为：1)在光电器件的工作读出电路上添加外置灭辅助电路；2)所述外置淬灭辅助电路判断所述光电器件是否产生有效脉冲信号，当产生有效脉冲信号时产生一个逻辑高电平信号，经过一定延迟时间tintegral后，该逻辑高电平信号切断所述光电器件阳极偏置电压和阴极脉冲输出通道，并将所述光电器件的阴阳极共地短接；然后所述外置淬灭辅助电路输出一逻辑低电平信号，恢复所述光电器件的正常工作。本发明从SiPM内部工作物理过程上缩短SiPM的淬灭恢复时间，进一步调制缩短SiPM输出脉冲宽度。
Description
技术领域
本发明属于粒子探测技术领域，尤其是光电探测领域，具体涉及一种光电器件脉冲宽度调制方法及外置淬灭辅助电路。
背景技术
硅光电倍增管(SiPM)是一种新型(诞生于20世纪90年代)的光电转换器件，它由大量工作在盖革模式下的雪崩型光电二极管(APD)阵列并联而成。入射光子打到SiPM表面，使处于盖革模式下的APD微元发生雪崩并产生一个幅度一定的脉冲，SiPM输出脉冲等于各雪崩APD微元雪崩脉冲的叠加。由于APD雪崩电流脉冲大小仅与偏置电压和内部淬灭电阻有关，因此SiPM输出脉冲大小正比于发生雪崩APD微元的数目，进一步正比于入射到SiPM表面的光子数目。
SiPM结构紧凑、增益大、工作电压低、对磁场不敏感、光信号响应上升时间快、均匀性好、在曝光条件下不易“老化”，因此被广泛应用于核物理、核医学、高能粒子物理、宇宙线物理、激光测距和量子通讯等领域。相较于光电倍增管(PMT)而言，SiPM作为光电器件不仅可以满足光电转换探测的需求，更适合应用于磁场环境、高海拔地区、夜空宇宙线及背景观测、便携式设备的研制开发。
但受其内部大阻值淬灭电阻和结电容的影响，SiPM光探测输出脉冲宽度(尤其是脉冲信号下降沿)远大于PMT。这不仅会增大探测器的探测时间死区，也会将过多本底噪声引入到有效脉冲信号中，致使脉冲信号信噪比变差。SensL的SiPM有一个“Fast Output”引脚可以取出上升时间快、脉冲宽度窄的Fast信号，但Fast信号电荷量仅仅是SiPM雪崩产生电荷的2％左右，比较适合于定时测量但不适合用于能量测量；费米国家实验室采用高通滤波电路有效地缩短了SiPM输出脉冲宽度，但也大幅度降低了脉冲幅度。看似已经解决的脉宽问题并没有得到尽如人意的解决，而且SiPM的淬灭恢复时间依然很长。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种光电器件脉冲宽度调制方法及外置淬灭辅助电路。本发明基于比较电路、前沿触发技术和高速模拟开关设计SiPM外置淬灭辅助电路，从SiPM内部工作物理过程上缩短SiPM的淬灭恢复时间，进一步调制缩短SiPM输出脉冲宽度。
硅光电倍增管具有非常快的光探测响应时间，但由于内部大阻值淬灭电阻的电荷释放时间过长，导致SiPM输出脉冲信号后沿过缓。本发明将通过在SiPM的工作读出电路上添加外置灭辅助电路，用于辅助SiPM内部大阻值淬灭电阻完成电荷释放过程。外置淬灭辅助电路设计框架如下：
A)判断SiPM是否有效响应、是否输出有效脉冲信号；
B)SiPM有效响应后，经过一段时间延迟，将SiPM的阴极和阳极以共地的方式短接，加速大阻值雪崩淬灭电阻的电荷释放过程；
C)通过LC或RC延迟电路的电感、电阻、电容参数来调整控制调节延迟时间，调制SiPM输出脉冲宽度达到最佳效果，即在不损失输出脉冲信号幅度和对入射光强度达到最佳响应效率的前提下缩短脉冲宽度。根据SiPM雪崩淬灭的物理过程来看，SiPM输出电流脉冲上升沿随时间的积分即为SiPM内部雪崩淬灭所产生的总电荷数
(其中i为电流、t为时间)；在SiPM脉冲下降沿加入随机噪声，以数据采集卡对SiPM产生的脉冲信号的实际采样频率Sf(如1GHz、500MHz、50MHz等)，模拟计算自SiPM输出脉冲最大值起采样积分n个采样点的电荷积分结果:
控制变量，分别改变随机噪声频率(1Hz～1GHz)、改变信噪比(10～100)、改变上升沿时间tpeak，在改变上述三个条件的过程中，调整n，计算寻找最稳定的RQ，其中
的比值，RQ最稳定时，
为最佳积分时间。该积分时间也就是“外置淬灭辅助电路”的延迟时间。延迟时间可以是固定不变的；也可以将上述RC延迟电路的电阻改为数字电阻，通过FPGA实时调整数字电阻阻值，实时调整延迟时间以满足复杂多变的应用场景。
D)由于入射光子数会随射线能量而改变，因此判定SiPM有效响应的时刻需要不受入射光子数影响。在本发明中，将通过前沿触发的方式获取SiPM有效响应的时刻；因此本发明设计低噪声快放大电路，在低噪声的状态下保持SiPM输出脉冲信号的快速上升时间，进一步降低SiPM有效响应判定阈值、降低有效响应判定时刻随入射光子数或入射射线能量的晃动。
通过比较电路前沿触发判断SiPM是否产生有效脉冲信号，当产生有效脉冲信号时比较器将输出一个逻辑高电平，经过一定时间延迟后，该高电平信号将切断SiPM阳极偏置电压和阴极脉冲输出通道，并将SiPM的阴阳极共地短接以加快SiPM内部淬灭电阻的电荷释放过程。当比较电路输出低电平时，将会再次恢复SiPM的正常工作读出线路连接状态。
本发明的技术方案为：
一种光电器件脉冲宽度调制方法，其步骤包括：
1)在光电器件的工作读出电路上添加外置灭辅助电路；
2)所述外置淬灭辅助电路判断所述光电器件是否产生有效脉冲信号，当产生有效脉冲信号时产生一个逻辑高电平信号，经过一定延迟时间tintegral后，该逻辑高电平信号切断所述光电器件阳极偏置电压和阴极脉冲输出通道，并将所述光电器件的阴阳极共地短接；然后所述外置淬灭辅助电路输出一逻辑低电平信号，恢复所述光电器件的正常工作。所述偏置电压可以加在阳极、也可以加在阴极；所述脉冲输出通道可以在阳极、也可以在阴极。
进一步的，所述延迟时间
其中，Sf为数据采集卡对SiPM产生的脉冲信号的采样频率，n为使比值
最稳定时的值，Qn为自所述光电器件输出脉冲最大值起采样积分n个采样点的电荷积分结果Qn，Q0为所述光电器件内部雪崩淬灭所产生的总电荷数。
进一步的，
其中，tpeak为上升沿时间，it为t时刻的电流。
进一步的，所述外置淬灭辅助电路通过比较电路前沿触发判断所述光电器件是否产生有效脉冲信号，当产生有效脉冲信号时比较电路输出一个逻辑高电平。
进一步的，所述光电器件为硅光电倍增管(SiPM)或雪崩型光电二极管(APD)。
一种用于光电器件脉冲宽度调制的外置淬灭辅助电路，其特征在于，包括一放大电路、一比较电路、一时间延迟单元和一组可控开关；其中，
所述放大电路，用于低噪声放大光电器件的输出脉冲信号，同时保持快的输出脉冲上升沿；
所述比较电路，用于判断所述光电器件是否产生有效脉冲信号，当产生有效脉冲信号时输出一个逻辑高电平并发送给所述时间延迟单元，否则输出一个逻辑低电平并发送给所述时间延迟单元；
所述时间延迟单元，由延迟电路组成(如RC延迟电路、LC延迟电路、或电子元器件内部固有延迟响应时间等相关延迟电路组成)，用于为比较电路输出的逻辑高低电平信号提供传输时间延迟tintegral；
所述外置淬灭辅助是在光电器件阴极和阳极端各放置一个可控开关(如图2所示)，其中当可控开关收到逻辑高电平信号时，可控开关将光电器件阴极、阳极与供电及输出线路断开，并将光电器件阴极、阳极共地短接以加速光电器件内部放电；当可控开关收到逻辑低电平时，开关将光电器件阴极、阳极与地断开，而接入供电及信号读出线路、使光电器件恢复正常工作。
本发明的优点如下：
研制辅助SiPM淬灭的外置淬灭电路，调制SiPM的雪崩淬灭恢复时间；根据实际应用需求和入射光时间特性，使SiPM输出脉冲宽度可以缩短至实际需求水平，同时保持SiPM输出脉冲幅度不变。
附图说明
图1为外置淬灭辅助电路设计框架图。
图2为外置淬灭电路图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步详细描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
本发明的外置淬灭辅助电路设计框架如图1所示，通过比较电路前沿触发判断SiPM是否产生有效脉冲信号，当产生有效脉冲信号时比较电路将输出一个逻辑高电平，经过一定时间延迟后，该高电平信号将切断SiPM阴极偏置电压和阳极脉冲输出通道，并将SiPM的阴阳极共地短接以加快SiPM内部淬灭电阻的电荷释放过程。当比较电路输出低电平时，将会再次恢复SiPM的正常工作读出线路连接状态，即恢复SiPM阴极正常偏置电压，恢复SiPM阳极脉冲输出，SiPM阴、阳极均与地断开。
本发明的外置淬灭电路如图2所示，光电器件在正常工作模式下(即通过可控开关，阳极连接Vbias供电、阴极接脉冲信号输出线路)，可在接收到入射光信号时产生电脉冲并输出至放大电路；放大电路将来自光电器件的电脉冲进行放大，同时使输出脉冲信号的信噪比与输入脉冲信号保持一致；使输出脉冲信号的上升沿与输入脉冲信号保持一致；放大电路的输出信号一路传输至后端电子学进行数字化转换采集，另一路传输至比较电路进行判断；一旦比较电路判定该模拟脉冲信号为光电器件的有效工作信号，将产生并输出一个逻辑高电平至延迟线路；该逻辑高电平经过延迟时间tintegral后达到光电器件阴阳极端的可控开关1和可控开关2后，使可控开关1由Vbias(供电)拨向GND(地)、可控开关2由放大电路输入端拨向GND(地)，最终使光电器件断开正常工作线路、阴阳极共地短接、加速内部放电；当比较电路判定该模拟脉冲信号为光电器件的无效工作信号时，将产生并输出一个逻辑低电平至延迟线路；该逻辑低电平经过延迟时间tintegral后达到光电器件阴阳极端的可控开关1和可控开关2后，使可控开关1连接Vbias(供电)、可控开关2连接放大电路输入端，最终使光电器件接入正常工作线路。
尽管为说明目的公开了本发明的具体实施例，其目的在于帮助理解本发明的内容并据以实施，本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于最佳实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。
Claims (10)
1.一种光电器件脉冲宽度调制方法，其步骤包括：
1)在光电器件的工作读出电路上添加外置灭辅助电路；
2)所述外置淬灭辅助电路判断所述光电器件是否产生有效脉冲信号，当产生有效脉冲信号时产生一个逻辑高电平信号，经过一定延迟时间tintegral后，该逻辑高电平信号切断所述光电器件偏置电压和脉冲输出通道，并将所述光电器件的阴阳极共地短接；然后所述外置淬灭辅助电路输出一逻辑低电平信号，恢复所述光电器件的正常工作。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述延迟时间
其中，Sf为数据采集卡对SiPM产生的脉冲信号的采样频率，n为使比值
最稳定时的值，Qn为自所述光电器件输出脉冲最大值起采样积分n个采样点的电荷积分结果Qn，Q0为所述光电器件内部雪崩淬灭所产生的总电荷数。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，
其中，tpeak为上升沿时间，
it为t时刻的电流。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，通过控制LC或RC延迟电路调整控制所述延迟时间。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，通过RC延迟电路调整控制所述延迟时间；其中，所述RC延迟电路的电阻为数字电阻或一般模拟电阻，当为数字电阻时通过FPGA或单片机实时调整所述数字电阻的阻值。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述外置淬灭辅助电路通过比较电路前沿触发判断所述光电器件是否产生有效脉冲信号，当产生有效脉冲信号时比较电路输出一个逻辑高电平。
7.如权利要求1～6任一所述的方法，其特征在于，所述光电器件为硅光电倍增管或雪崩型光电二极管。
8.一种用于光电器件脉冲宽度调制的外置淬灭辅助电路，其特征在于，包括一放大电路、一比较电路、一时间延迟单元和一组可控开关；其中，
所述放大电路，用于低噪声放大光电器件的输出脉冲信号；
所述比较电路，用于判断所述光电器件是否产生有效脉冲信号，当产生有效脉冲信号时输出一个逻辑高电平并发送给所述时间延迟单元，否则输出一个逻辑低电平并发送给所述时间延迟单元；
所述时间延迟单元，用于根据收到的信号控制可控开关，其中当收到逻辑高电平信号时，延迟时间tintegral后切断所述光电器件偏置电压和脉冲输出通道，并将所述光电器件的阴阳极共地短接；当收到逻辑低电平信号时恢复所述光电器件的正常工作。
9.如权利要求8所述的外置淬灭辅助电路，其特征在于，所述延迟时间
其中，Sf为数据采集卡对SiPM产生的脉冲信号的采样频率，n为使比值
最稳定时的值，Qn为自所述光电器件输出脉冲最大值起采样积分n个采样点的电荷积分结果Qn，Q0为所述光电器件内部雪崩淬灭所产生的总电荷数。
10.如权利要求8所述的外置淬灭辅助电路，其特征在于，所述光电器件的阳极与第一可控开关的一端连接、所述光电器件的阴极与第二可控开关的一端连接；所述第一可控开关的另一端分别用于与所述时间延迟单元的信号输出端、接地端、供电端Vbias连接，所述第二可控开关的另一端分别用于与所述时间延迟单元的信号输入端、接地端、所述放大电路的信号输入端连接。
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