FR2994595A1 - Circuit electronique comprenant un convoyeur de courant agence avec un dispositif anti-saturation, et dispositif de detection de photons correspondants - Google Patents
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Abstract
Il est proposé un circuit électronique comprenant un convoyeur de courant (103) relié à une charge, ladite charge fournissant au moins une première (107) et une deuxième sortie (108) en tension. Un tel circuit est remarquable en ce que ladite deuxième sortie (108) en tension possède un comportement dit non linéaire par rapport à l'intensité du courant d'entrée dudit circuit électronique sur une plage donnée.
Description
Circuit électronique comprenant un convoyeur de courant agencé avec un dispositif anti-saturation, et dispositif de détection de photons correspondant 1. DOMAINE DE L'INVENTION Le domaine de l'invention est celui de la microélectronique et de l'optoélectronique. Plus précisément, l'invention concerne une technique relative aux convoyeurs de courant utilisés dans de nombreux dispositifs pouvant détecter des paramètres physiques liés aux photons reçus. L'invention a de nombreuses applications, telles que par exemple dans le domaine médical (et plus particulièrement dans les dispositifs permettant de réaliser des tomographies par émission de positons, qui sont aussi appelés dispositifs PET, acronyme anglais pour « Positron Emission Tomography), ainsi que dans les domaines utilisant des photomultiplicateurs ou des dispositifs assimilables. 2. ARRIÈRE-PLAN TECHNOLOGIQUE On s'attache plus particulièrement dans la suite de ce document à décrire la problématique existant dans le domaine des photomultiplicateurs, à laquelle ont été confrontés les inventeurs de la présente demande de brevet. L'invention ne se limite bien sûr pas à ce domaine particulier d'application, mais présente un intérêt pour toute technique d'amplification de courant devant faire face à une problématique proche ou similaire. Traditionnellement, un photomultiplicateur comprend une photocathode qui, lorsqu'un photon incident entre en contact avec celle-ci, libère, sous l'effet photoélectrique, un électron. Un tel électron est ensuite dirigé vers une succession de dynodes en vue d'être multiplié (via un phénomène d'avalanche) pour pouvoir effectuer des mesures en sortie du photomultiplicateur. Plus précisément, il est important de pouvoir déterminer précisément à la fois l'instant auquel un photon arrive sur la photocathode (et donc potentiellement d'ordonnancer les photons incidents), ainsi que de quantifier avec précision l'énergie véhiculée par les photons incidents.
En effet, plus on est capable de déterminer avec précision l'instant d'arrivé d'un photon, et plus on est capable de déterminer si deux photons sont arrivés simultanément. Ce critère est crucial, notamment dans le domaine médical où l'on cherche à identifier l'annihilation d'un positon via la détection de deux photons émis simultanément, qui s'échappent d'un patient, via l'utilisation d'au moins deux photomultiplicateurs positionnés à l'opposé l'un de l'autre (on considère que deux photons qui sont arrivés sur des photocathodes de photomultiplicateurs dans une telle configuration, avec un écart de l'ordre de la pico seconde sont signalés comme étant détectés simultanément). La quantification de l'énergie reçue par un photomultiplicateur a quant à elle un impact sur la qualité des tomographies obtenues via un dispositif PET. Plus la quantification est précise, et plus la qualité des tomographies obtenues est grande. La gamme dynamique caractérise le rapport du signal maximum au signal minimum (souvent le bruit électronique ou le photon unique) et ce rapport est de quelques milliers. Le domaine PET actuel recherche des précisions temporelles de quelques dizaines de pico-secondes (10-12 s) pour un seuil déclenchement de quelques photoélectrons et des gammes dynamiques de quelques milliers de photoélectrons. Cette précision temporelle requiert des bandes passantes de l'ordre du GHz et une amplification des plus faibles signaux de l'ordre d'un facteur 10 (20 dB). Ces bandes passantes élevées sont maintenant possibles à puissance raisonnable grâce aux progrès des circuits intégrés (ASICs), en particulier en technologie BiCMOS Silicium Germanium et au progrès des photodétecteurs « solid-state » (ou photomultiplicateur en silicium SiPM (pour « Silicon photomultipliers ») ou MPPC (pour « Multi-Pixel Photon Counter ») qui ont des résolutions intrinsèques suffisamment bonnes et limitent les inductances parasites. Par contre leur capacité élevée (quelques centaines de pF) nécessite des amplificateurs à faible impédance d'entrée d'où l'utilisation de convoyeurs de courants qui permettent de réaliser cette caractéristique. Une difficulté rencontrée avec les convoyeurs de courant est cependant d'obtenir une forte amplification tout en traitant convenablement les plus forts signaux qui tendent à saturer l'amplificateur et faussent donc la mesure d'amplitude.
On connaît, dans l'état de la technique, différents types de techniques permettant de résoudre ces deux problèmes simultanément.
Une première technique décrite dans l'article « A front end read out chip for the OPERA scintillator tracker » de A. Lucotte et al. publié en 2004 dans la revue : « Nuclear instruments & methods in physics research. Section A, Accelerators, spectrometers, detectors and associated equipment», présente un circuit intégré spécialisé (i.e un ASIC, acronyme anglais de « Application-specific integrated circuit») positionné en sortie d'un photomultiplicateur. Un tel circuit comprend un bloc de pré amplification et de correction de gain, comprenant des transistors et des circuits miroir de courant (visant à réaliser des copies de courant, en vue d'être utilisé séparément), qui permet d'amplifier un courant d'entrée d'un large facteur. Plus précisément, le bloc de pré amplification (« current preamplifier») et de correction de gain fournit deux sorties (une sortie dite de bas gain, et une sortie dite de haut gain), qui alimente respectivement un canal dit rapide (ou « Fast Shaper», qui permet l'obtention d'informations temporelles sur les photons incidents) et un canal dit lent (ou « Slow Shaper», qui mesure la charge du ou des photons détectés par le photomultiplicateur).
Cependant, un inconvénient de cette première technique est que la branche de miroir « Grand Gain » qui sature entraîne une distorsion sur la branche « bas gain » et donc une copie imparfaite du courant en provenance du détecteur. De plus ces miroirs rajoutent des capacités parasites qui réduisent la bande passante à faible puissance. Enfin, les copies de courant augmentent la consommation du circuit.
Une deuxième technique utilisée dans le calorimètre à tuiles scintillantes (Tilecal) du détecteur ATLAS au sein du LHC, et décrite dans l'article « the Tilecal 3-in-1 PMT Base concept and the PMT block assembly» de Z. Ajaltouni et al., consiste à amplifier non un courant en sortie du photomultiplicateur, mais une tension (« voltage preamplifier») en ayant converti le courant du détecteur sur une résistance passive (en général 50 ohm) Le comportement en saturation est alors excellent et il est facile d'attaquer simultanément les deux étages de mesure de charge et de temps, mais le rapport signal sur bruit pour les faibles signaux est bien moins bon car la résistance de 50 ohm domine le bruit électronique. Il faut alors utiliser un amplificateur très bas bruit qui consomme typiquement des dizaines de mW. 3. OBJECTIFS DE L'INVENTION L'invention, dans au moins un mode de réalisation, a notamment pour objectif de pallier ces différents inconvénients de l'état de la technique. Plus précisément, dans au moins un mode de réalisation de l'invention, un objectif est de fournir une technique permettant d'amplifier un courant qui n'utilise pas de circuits de miroirs de courant et permet d'obtenir deux tensions de sortie toujours directement issues du courant provenant du photodétecteur. Au moins un mode de réalisation de l'invention a également pour objectif de fournir une telle technique qui permette à la fois d'obtenir des informations temporelles précises sur les premiers photons incidents, ainsi que d'obtenir une mesure précise du niveau d'énergie reçu, même à des niveaux de courant élevés. En outre, dans au moins un mode de réalisation de l'invention, il est proposé une technique n'utilisant que peu de composants électroniques, et minimisant la puissance dissipée, permettant de limiter l'échauffement du photodétecteur situé à proximité immédiate et très sensibleà la température.
La présente technique a pour objectif d'utiliser au mieux les performances intrinsèques de mesure de temps et d'énergie des différents types de photodétecteurs (photomultiplicateurs classiques, ou en silicium) mentionnés précédemment par le circuit de conditionnement du signal. 4. EXPOSÉ DE L'INVENTION Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, il est proposé un circuit électronique comprenant un convoyeur de courant relié à une charge, ladite charge fournissant au moins une première et une deuxième sortie en tension. Un tel circuit est remarquable en ce que ladite deuxième sortie en tension possède un comportement dit non linéaire par rapport à l'intensité du courant d'entrée dudit circuit électronique sur une plage donnée. Ainsi, quand bien même l'intensité du courant est élevée, le circuit n'est pas saturé, et permet, de par son comportement, de réaliser via lesdites première et deuxième sortie en tension des mesures précises. Notamment, lorsque l'intensité du courant d'entrée est corrélée aux photons reçus via un dispositif photomultiplicateur, il est possible de réaliser des mesures précises, quelle que soit l'intensité du courant d'entrée, sur des données relatives au temps d'arrivée des photons, ainsi que du niveau d'énergie reçu. Selon un aspect particulier de l'invention, pour un tel circuit électronique, ladite première sortie en tension de ladite charge est proportionnelle à l'intensité du courant d'entrée sur toute la gamme dynamique dudit courant d'entrée (sortie bas gain), et en ce que ladite deuxième sortie en tension de ladite charge est proportionnelle à l'intensité du courant d'entrée sur une fraction de ladite gamme dynamique (sortie haut gain). Selon un aspect particulier de l'invention, ladite charge comprend au comprend au moins deux résistances de valeurs distinctes, et un dispositif anti-saturation monté en parallèle de la résistance possédant la plus grande valeur. Ainsi, un tel circuit présente une architecture simple, qui permet au convoyeur de courant de ne pas saturer et donc de fournir un courant de sortie toujours identique au courant d'entrée même pour les plus grands signaux, garantissant la précision de la mesure de charge. Il évite d'utiliser des circuits de miroirs de courant réalisant des copies de courant, non nécessairement à l'identique et qui présentent davantage de bruit électronique. De plus, un tel circuit, de par sa simplicité (peu de composants sont nécessaires à la réalisation du circuit) permet de réaliser les mesures d'intérêt (relatives au temps d'arrivée des photons, et des niveaux d'énergie reçu) de manière plus rapide que les techniques de l'état de l'art en présentant une bande passante supérieure au GHz. Selon un aspect particulier de l'invention, le rapport entre ladite plus grande valeur et une valeur de l'autre résistance est au moins égal à 5. Selon un aspect particulier de l'invention, ledit rapport est un nombre réel compris dans l'intervalle [10 ; 20]. Ce rapport permet d'avoir une amplification maximale pour les petits signaux correspondant aux premiers photons reçus et donc de pouvoir discriminer plus facilement dessus ce qui optimise la précision temporelle Selon un aspect particulier de l'invention, un tel circuit électronique comprend une première résistance possédant une valeur de 100 ohms, et une deuxième résistance possédant une valeur de 1000 ohms. Ces valeurs permettent, en technologie intégrée, de minimiser les capacités parasites, tout en permettant de fournir une forte amplification. Un tel circuit permet d'atteindre une bande passante supérieure au GHz. Selon un aspect particulier de l'invention, ledit dispositif anti-saturation est une diode. Ce dispositif non linéaire présente à la fois une très forte compression (logarithmique) sur une très grande gamme dynamique tout en minimisant la capacité parasite qui limite la bande passante, essentielle à la mesure précise du temps (<10 ps) Selon un aspect particulier de l'invention, ledit dispositif anti-saturation comprend au moins un transistor monté en diode. Selon un aspect particulier de l'invention, ledit convoyeur de courant comprend au moins un transistor. Selon un aspect particulier de l'invention, ledit transistor est un transistor bipolaire de type PNP ou de type NPN. Selon un aspect particulier de l'invention, ledit transistor est monté en base commune.
Selon un aspect particulier de l'invention, ledit transistor est un transistor à effet de champ de canal P ou de canal N. Selon un aspect particulier de l'invention, ledit transistor est monté en grille commune. Selon un aspect particulier de l'invention, ledit convoyeur de courant comprend une pluralité de transistors. Selon un aspect particulier de l'invention, un tel circuit comprend un circuit de rétro-contrôle négatif. Dans un autre mode de réalisation de l'invention, il est proposé un dispositif de détection de photons comprenant un circuit électronique tel que mentionné précédemment. 5. LISTE DES FIGURES D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée à titre d'exemple indicatif et non limitatif, et des dessins annexés, dans lesquels : la figure 1 présente un circuit électronique selon un premier mode de réalisation de l'invention, dans lequel un convoyeur de courant comprend un transistor bipolaire de type NPN qui peut aussi être remplacé par un NMOS; la figure 2 présente un circuit électronique selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, dans lequel un convoyeur de courant comprend un transistor bipolaire de type PNP ou un PMOS; la figure 3 présente un circuit électronique selon un troisième mode de réalisation de l'invention, dans lequel un convoyeur de courant est réalisé par un montage composite de deux transistors NPN « super common base » qui peut aussi être réalisé avec des combinaisons de NPN, NMOS, PNP ou PMOS. 6. DESCRIPTION DÉTAILLÉE Sur toutes les figures du présent document, les éléments et étapes identiques sont désignés par une même référence numérique. La figure 1 présente un circuit électronique selon un premier mode de réalisation de l'invention, dans lequel un convoyeur de courant comprend un / transistor bipolaire de type NPN. Lorsqu'un photon est reçu 100 par un dispositif photomultiplicateur 101, le courant induit i par un tel dispositif n'est généralement pas assez intense pour pouvoir être mesuré par des dispositifs de mesure classiques. Le circuit de la figure 1 permet d'amplifier le courant reçu tout en étant capable de traiter des situations où un flux important de photons est reçu par le dispositif photomultiplicateur 101. Un tel circuit comprend un transistor bipolaire NPN 103 (i.e un convoyeur de courant) monté de sorte que la base B soit relié à une masse (montage « base commune »), le collecteur C soit relié à une charge active possédant les deux bornes a et b, et l'émetteur E soit relié à la sortie du dispositif photomultiplicateur 101 et d'un dispositif de polarisation 102 (qui est une source de courant). Selon ce mode de réalisation, une telle charge active comprend deux résistances 104 et 105, la résistance 104 ayant une valeur plus grande que celle de la résistance 105, et un dispositif anti-saturation 106 monté en parallèle de la résistance 104.
Les mesures obtenues au niveau de la première sortie 107 permettent de déterminer de manière rapide et avec précision l'énergie véhiculée par les photons reçus par le dispositif photomultiplicateur 101. Les mesures obtenues au niveau de la deuxième sortie 108 permettent de déterminer le temps d'arrivée des photons reçus par le dispositif photomultiplicateur 101. Dans un autre mode de réalisation, le transistor bipolaire de type NPN peut être remplacé par un transistor NMOS. La figure 2 présente un circuit électronique selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, dans lequel un convoyeur de courant comprend un transistor bipolaire de type PNP. Dans ce mode de réalisation, le convoyeur de courant correspond à un transistor bipolaire de type PNP monté de sorte que la base B' soit relié à la masse, le collecteur C' soit relié à une charge active possédant les deux bornes a et b, et l'émetteur E' soit relié à la sortie du dispositif photomultiplicateur 101 et d'un dispositif de polarisation 201. Dans un autre mode de réalisation, le transistor bipolaire de type PNP peut être remplacé par un transistor PMOS. La figure 3 présente un circuit électronique selon un troisième mode de réalisation de l'invention, dans lequel un convoyeur de courant est réalisé par un montage composite de deux transistors NPN « super common base ». Dans ce mode de réalisation, le convoyeur de courant correspond à la combinaison de deux transistors NPN 302, 303 montés de sorte que l'émetteur E du transistor bipolaire de type NPN 302 soit relié à la masse, le collecteur C du transistor bipolaire de type NPN 302 soit relié à la base du transistor bipolaire de type NPN 303, et à un dispositif de polarisation 304, et la base B du transistor bipolaire de type NPN 302 soit reliée à l'émetteur E du transistor bipolaire de type NPN 303, à la sortie du dispositif photomultiplicateur 101, et à un dispositif de polarisation 301. Dans un autre mode de réalisation, un tel convoyeur de courant peut aussi être réalisé avec des combinaisons de transistors NPN, NMOS, PNP ou PMOS.
Dans un mode de réalisation préférentiel de l'invention, la résistance 104 possède une valeur de 1000 ohms et la résistance 105 possède une valeur de 100 ohms. 10
Claims (13)
- REVENDICATIONS1. Circuit électronique comprenant un convoyeur de courant (103; 202; 303, 302) relié à une charge, ladite charge comprenant au moins deux résistances de valeurs distinctes, et fournissant au moins une première (107) et une deuxième sortie (108) en tension, caractérisé en ce que ladite charge comprend un dispositif anti-saturation, monté en parallèle de la résistance possédant la plus grande valeur, transformant ladite deuxième sortie en tension qui adopte un comportement dit non linéaire par rapport à l'intensité du courant d'entrée dudit circuit électronique sur une plage donnée.
- 2. Circuit électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite première sortie (107) en tension de ladite charge est proportionnelle à l'intensité du courant d'entrée sur toute la gamme dynamique dudit courant d'entrée, et en ce que ladite deuxième sortie (108) en tension de ladite charge est proportionnelle à l'intensité du courant d'entrée sur une fraction de ladite gamme dynamique.
- 3. Circuit électronique selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le rapport entre la dite plus grande valeur et une valeur de l'autre résistance est au moins égal à 5.
- 4. Circuit électronique selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit rapport est un nombre réel compris dans l'intervalle [10; 20].
- 5. Circuit électronique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'une première résistance a une valeur de 100 ohms, et en ce qu'une deuxième résistance a une valeur de 1000 ohms.
- 6. Circuit électronique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ledit dispositif anti-saturation est une diode.
- 7. Circuit électronique selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que ledit dispositif anti-saturation comprend au moins un transistor monté en diode.
- 8. Circuit électronique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que ledit convoyeur de courant comprend au moins un transistor.
- 9. Circuit électronique selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit transistor appartient au groupe comprenant : - des transistors bipolaires de type PNP ou de type NPN ; et - des transistors à effet de champ de canal P ou de canal N.
- 10. Circuit électronique selon la revendication 9, caractérisé en ce que lorsque ledit transistor est un transistor bipolaire, il est monté en base commune, et lorsque ledit transistor est un transistor à effet de champ, il est monté en grille commune.
- 11. Circuit électronique selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que ledit convoyeur de courant comprend une pluralité de transistors.
- 12. Circuit électronique selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce qu'il comprend un circuit de rétro-contrôle négatif.
- 13. Dispositif de détection de photons caractérisé en ce qu'il comprend un circuit électronique selon l'une quelconque des revendications 1 à 12.
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| CORSI F ET AL: "Front-end electronics for Silicon photo-multipliers coupled to fast scintillators", NUCLEAR SCIENCE SYMPOSIUM CONFERENCE RECORD (NSS/MIC), 2010 IEEE, IEEE, 30 October 2010 (2010-10-30), pages 1332 - 1339, XP032054261, ISBN: 978-1-4244-9106-3, DOI: 10.1109/NSSMIC.2010.5873986 * |
| LUCOTTE A ET AL: "A front-end read out chip for the OPERA scintillator tracker", NUCLEAR INSTRUMENTS & METHODS IN PHYSICS RESEARCH. SECTION A: ACCELERATORS, SPECTROMETERS, DETECTORS, AND ASSOCIATED EQUIPMENT, ELSEVIER BV * NORTH-HOLLAND, NETHERLANDS, vol. 521, no. 2-3, 1 April 2004 (2004-04-01), pages 378 - 392, XP004498317, ISSN: 0168-9002, DOI: 10.1016/J.NIMA.2003.10.104 * |
| N. PILLET ET AL.: "FATALIC, a wide dynamic range integrated cir-cuit for the tilecal VFE Atlas upgrade", TOPICAL WORKSHOP ON ELECTRONIC FOR PARTICLE PHYSICS, 30 September 2011 (2011-09-30), Vienna, XP055064748, Retrieved from the Internet <URL:http://indico.cern.ch/getFile.py/access?contribId=56&sessionId=27&resId=0&materialId=poster&confId=120853> [retrieved on 20130530] * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EP2885654A1 (fr) | 2015-06-24 |
| US20150204719A1 (en) | 2015-07-23 |
| WO2014027001A1 (fr) | 2014-02-20 |
| FR2994595B1 (fr) | 2014-09-12 |
| US9933302B2 (en) | 2018-04-03 |
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