[发明专利]用于波形数字化的快速读出方法和开关电容器阵列电路

说明书

技术领域

本发明涉及用于快速波形数字化的开关电容器阵列电路以及方法。

背景技术

许多工业和研究领域需要以高的采样率来对波形进行数字化。这包括在粒子物理实验和同步加速器辐射源中的光电倍增管、气体检测器和硅检测器的读出。传统上，这些应用使用高达几GHz采样速度的闪烁型ADC，但是该技术在需要高通道密度、低功率以及多于10比特的准确度的时候达到其极限。可替换的方法是开关电容器阵列(SCA)。

在瑞士的Paul Scherrer研究所已开发了这样的SCA芯片用于MEG实验的PMT和漂移室信号的快速波形数字化。该实验搜索灵敏度低至10^-13的轻子味破坏衰变μ⁺→e⁺γ。该芯片以0.25μm的CMOS工艺来制造，并且包含12个通道，每一个通道具有1024个电容采样单元。波形数字化以范围从10MHz到5GHz的片上生成频率而发生。利用外部12比特闪烁型ADC以33MHz读出这些单元。锁相环电路(PLL)确保高稳定性，使得该芯片在具有低于100ps的定时分辨率以及等于14比特的ADC分辨率的实验中适合于代替ADC和TDC二者。

然而，当关注于单个事件的极快速读出时，该技术遭遇读出每个通道的所有1024个单元所需要的死区时间周期。以33MHz读出这些单元，即使由用于每个通道的专用ADC并行地完成读出，该设备的死区时间也处于30μs的范围内。

因此，呈现本发明的目的是提供一种缩短读出电路的死区时间(deadtime)的具有非常快速的读出和深入(in-deep)时间分辨率能力的电子电路。

发明内容

有关根据本发明的电路，这些的目的通过用于快速波形数字化的SCA电路来实现，该SCA电路包括：

a)多个通道；每一个通道具有n个采样单元；

b)多米诺(domino)波电路，生成作为用于采样单元的写入信号的多米诺波；用于每个单个单元的所述写入信号优选地由一系列n个双逆变器生成；

b)每个采样单元，在相应的采样单元根据相应的写入信号被轮到时接收和存储波形的快照；

c)停止电路，用于接收外部或内部触发信号以便在预定时间量的外部或内部延迟之后停用(disempower)多米诺波并且生成停止位置脉冲；

d)寄存器，利用在停止脉冲处多米诺波的位置来预先设置并且以串行或并行的方式被读出以用于读取在所述多米诺波被停用时的停止位置；以及

e)读出电路，用于连续地读出预定数目的采样单元中的采样信号，由此在对应于所述停止位置的采样单元处开始读出。

有关根据本发明的方法，这些目的通过用于快速波形数字化的方法来实现，该方法包括下述步骤：

a)提供包括多个通道的电路；每一个通道具有n个采样单元；

b)生成作为用于所述采样单元的写入信号的多米诺波；用于每个单个单元的所述写入信号优选地由一系列n个双逆变器生成；

b)在相应的采样单元根据相应的写入信号被轮到时在每个采样单元中接收并且存储波形形式的快照；

c)提供停止波电路，用于接收外部或内部触发信号以便在预定时间量的外部或内部延迟之后停用多米诺波并且生成停止位置脉冲；

d)提供寄存器，该寄存器利用在停止脉冲处多米诺波的位置来预先设置并且以串行或并行的方式被读出以用于读取在所述多米诺波被停用时的停止位置；以及

e)读出预定数目的采样单元中的采样信号，由此在对应于所述停止位置的采样单元处开始读出。

通过仅读取采样单元的该子集，芯片最佳地适合于对短脉冲分辨率具有不同兴趣的所有应用，例如光电倍增管、漂移室和硅检测器的读出。根据要读出的采样单元的数目，读出和数字化的死区时间被减少读取采样单元子集所需要的时间除以读取所有采样单元的实体所需要的时间的分数。

允许诸如激活采样单元之类的多米诺效应的合适体系结构提供开关电容器阵列芯片，其中所述双逆变器的第一逆变器被设计为具有作为一个输入信号的抑制(disenable)信号的与门，所述第一逆变器经由作为电压控制的电阻器被操作的NMOS晶体管连接到第二逆变器；由此与第二逆变器的寄生电容一起形成RC电路。这种体系结构允许经由DENABLE信号随时启用并停用该多米诺波。在此，通过控制连接到NMOS晶体管的栅极端子的模拟电压DSPEED来实现施加多米诺波传播的可变延迟的灵活性。