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 清華大學微電子學研究所(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產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構，還實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境，最終實現了濾波器的整體結構。

　　關鍵字：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科研究的主要實驗裝置，同時普遍存在于核醫學、交通安保等應用核技術的生產生活領域。粒子探測器讀出電路是核電子學中很重要的一類電路系統，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]。

　　由于數字電路的發展，在上世紀九十年代，人們基于數字信號處理技術提出了新的脈沖能譜分析技術和系統，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模擬電路實現的。

　　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，且探測器電荷的收集時間不為零時，已經證明，梯形濾波器是最優濾波器[3]，并且適合用數字方法實現 [4]。本文給出了一種數字梯形濾波器的優化的結構設計方法。

　　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。實際使用中， 由前放反饋回路RF-CF的值或實驗預先確定，斜邊長度k由噪聲特性確定，所以必須根據不同的噪聲環境調整斜邊長度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，對整個濾波器采用一種結構形式來實現是不可能的，而且需要的運算資源太多，很難找到最優的結構，所以一般采用簡單的子模塊并聯或者是級聯的方法來實現復雜的濾波器的結構。多個子模塊級聯存在一個級聯順序的問題，一般來說，要求出最佳配對和級聯次序是很難的，但是可以通過遵循一些簡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，因為它們可能會引起溢出，并且可能把量化噪聲擴大[6]。在我們這個具體應用中，()1Hz的輸出是會產生溢出，但是經過分析這個溢出對運算結果沒有影響，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構一樣，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。