mlab-modules / pcrd06

Sample and hold circuit for photomultiplier pulse signal processig

PCRD06A Sample and hold circuit with analog memory

Signal follower with analog memory. It is a circuit equivalent to a sample-hold circuit triggered by a falling edge of signal or a circuit equivalent to a peak detector. The PCRD06A module is normally used in combination with SiPM based scintillation detector.

Examples of detectors that could be connected to the PCRD analog-backend.

• SIMP02
• USTSIPM01

Basic usage

The circuit is able to operate in multiple modes. The operation mode depends on the logic used to control the circuit.

1. The first operation mode is the peak detector, which stores the maximal value of peak output from SiPM. This mode holds the maximal value of pulse until the circuit is reset (usually after AD conversion)
2. Pulse discriminator, where the AD converted value is compared with a predefined threshold. After passing this threshold the circuit should be reset.
3. The energy integrator in that mode signal is ADconverted as fast as possible, and the dose is integrated numerically over the specified time interval.

Principle of function

The signal output from the scintillation detector is a pulse. The pulses are stored in a specially developed sample-hold circuit that behaves as a signal follower and analog memory. When signal #PeakDetect_Trace is in H an analog switch U5 turns on and a signal at an output U2 follows a signal at the input with a slight delay which is done by R13 and C19. If signal #PeakDetect_Trace is switched to a high impedance state the analog switch U5 starts to be controlled by a comparator U1. In this case, when the input signal goes from high to low, a positive input of the comparator will be at a higher voltage than a negative input, following a voltage at capacitor C19.

It causes the switching-off of the analog switch U5 and the capacitor C19 holds its last voltage value. This behavior is similar to a peak detector circuit. In the next step, the stored voltage can be converted by ADC connected at the output and after this conversion, the input #PeakDetect_Trace goes again to H and the circuit changes behavior to signal follower circuit. The described sample-hold circuit does not suffer from typical peak detector circuit ills like insensitivity to small signals, mistreatment of negative signals, or discharging the capacitor by leakage current through diodes.

Moreover, this circuit can be used as a pulse discriminator as well. The signal #PeakDetect_Trace can be connected to an input of digital circuits when it is controlled by the comparator U1. When the input signal goes from high to low, the signal #PeakDetect_Trace goes from high to low as well. This behavior can be used for the detection of the falling edge of the signal. There is only one constraint of this circuit, the input signal can not change raising/falling time widely and the RC time constant (R13, C19) must be chosen correctly, respecting the input signal time properties.

More details about the principle are in DOCTORAL THESIS, Research on cosmic rays on board aircraft using a newly developed PIN diode detector, 2020, CTU in Prague

_{^{Generated with MLABweb. (2019-08-04)}}

pcrd06's Issues

MCX konektor na vstupu

Pro zařízení GEODOS01 by se hodilo aby na vstupu byl MCX konektor. Tento konektor by se využil rovnou k připojení pigtailem do MCX konektoru detektoru.

Pulse classification

Pro rozlišení složek směsného pole a kalibraci nové varianty detektoru by se hodilo, aby analogový front-end uměl rozlišovat různé tvary průběhu pulzů.
Taková klasifikace by mohla být prováděna na měření morfologických znaků pulzu. Například derivace náběžné hrany, maximální hodnoty, derivace sestupné hrany a celkové plochy pulzu.

Na každou z těchto meřených hodnot by pak asi byl potřeba analogový obvod, který tyto hodnoty poznamená do chvíle digitalizace ADC.

Podle @kakl je ideálním setem morfologických znaků TOT, amplituda a plocha. V prvnim priblizeni staci najit vrchol a zmerit jeste jednu amplitudu v definovanem case za vrcholem. S tím že definovaný čas je konstantní pro všechny varianty pulzů z daného detektoru.

Podrobněji viz patent

Spojení s modulem fotonásobiče

Modul se nyní běžně používá ve spojení se SiPM modulem. Spojení je reálně provedeno kvůli stínění pomocí koaxiálních kabelů. Za tímto účelem vznikl požadavek #1, který však pouze řeší připojení dvou koaxiálních kabelů (signál a napájení) k modulu.

Pro snazší a levnější výrobu by však bylo výhodnější, pokud by se modul s fotonásobičem spojoval pouze jedním kabelem.
Vhodným řešením by zde možná bylo využití SATA konektoru, který existuje i v panelové verzi namontovatelné na stěnu detekční krabičky GEODOSu.

Takové řešení by pak umožnilo krabičku fotonásobiče připojovat pouze jedním kabelem, kterým by bylo možné zároveň napájet fotonásobič.
Toto nové řešení by bylo výhodné zejména v situaci, kdy by se signál zpracovával diferenčně a digitalizoval i differenčním ADC #2.

Přidání ADC

Viz issue GEODOSu UniversalScientificTechnologies/GEODOS01#23

Přidání vhodně konstruovaného ADC do tohoto modulu by zároveň také umožnilo, aby v celém zařízení nebyl potřeba MCU, který bude řešit vyčítání dat a resetování PCRD06. Protože stejnou funkci může realizovat ADC pripojený na timestamp signál na EXINT signál GPS modulu.

Vhodný ADC by tak měl mít:

• I2C datový výstup
• Sample signal, pro spuštění vzorkování (Spustí se vzorkování na výrazný impulz z fotonásobiče)
• SIgnál označující ukončení konverze (využije se k resetu obvodu)

Vyčtení dat z GPS i z ADC by se pak realizovalo pouze přes I²C. Tím by vznikl I2C detektor ionizujícího záření, který může být připojen například k Pixhawk autopilotu.

Rychlost přepínání spínače

V zapojení je nyní použit analogový přepínač TS5A4594,který má dobu přepnutí cca 17ns. V modulu SDRX01, je nyní používán přepínač NC7WB66 který je zhruba 3x rychlejší.

Dynamic range

Pro některé typy ADC by šel zvětšit dynamický rozsah použitím "symetrického napájení", aby bylo možné lépe využít převodní rozsah ADC.