Гляненко Современная електронная елементная база в приборах 2012

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЯДЕРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИФИ»

А.С. Гляненко, В.А. Логинов

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА В ПРИБОРАХ И СИСТЕМАХ ФИЗИКИ

ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ, КОСМОФИЗИКИ И МЕДИЦИНЫ

Рекомендовано УМО «Ядерные физика и технологии» в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений

Москва 2012

ВВЕДЕНИЕ

Внастоящее время ни один современный ядерно-физический эксперимент немыслим без электронного обеспечения – совокупности всевозможных электронных устройств и систем. Основные компоненты электронного обеспечения создавались и разрабатывались в течение многих десятилетий, но гигантские темпы развития современной микроэлектроники ныне представляют разработчикам электронного обеспечения физического эксперимента новые возможности: снижение энергопотребления устройств, значительное повышение функциональности, возможность гибкой реконфигурации создаваемых электронных комплексов управления и сбора данных.

Вданном пособии рассматриваются основные структуры электронного обеспечения физического эксперимента и возможности их реализации на базе современной электронной компонентной базы (ЭКБ). Структуру электронного обеспечения физического эксперимента условно можно разделить на два сегмента: электронные системы, непосредственно воспринимающие электрические сигналы с детекторов разных типов, и вспомогательные технологические электронные системы контроля, обеспечивающие контроль технических параметров детекторов и коррекцию их характеристик, если это необходимо. Естественно, наибольший интерес представляет первый сегмент, так как разнообразие типов детекторов ионизирующих излучений требует в каждом конкретном случае своих методов и способов реализации соответствующего электронного обеспечения. В практике ядерно-физического эксперимента принято выделять, по крайней мере, два метода измерений:

1.Методы амплитудного анализа.

2.Методы временного анализа.

Вряде случаев представляет интерес анализ формы импульса, но, в принципе, его можно свести к комбинации двух вышеупомянутых методов. Амплитудные методы включают в себя методы регистрации сигналов с детекторов, позволяющие получить информацию об энергии, оставленной регистрируемой частицей в детекторе. Временные же методы позволяют анализировать временную последовательность регистрируемых процессов: определение момента регистрации частицы, временной интервал между регистри-

4

руемыми событиями, совпадение во времени регистрируемых событий и т.п.

Современные средства вычислительной техники в настоящее время позволяют реализовать эти методы как аналоговым способом, так и цифровым. По мере совершенствования цифровой ЭКБ, цифровые методы будут применяться все шире, так как цифровые устройства, в отличие от аналоговых, не требуют индивидуальной настройки и подгонки параметров электронных компонентов, что иногда бывает необходимо в аналоговых системах. Тем не менее, современный ядерно-физический эксперимент обязательно включает в себя те или иные средства вычислительной техники на этапе сбора полученной информации для ее последующей предобработки и упаковки и для обеспечения функционирования технологических систем физического эксперимента. По этой причине в состав ЭКБ электронного обеспечения должны быть включены компоненты, обеспечивающие связь электронного оборудования эксперимента со средствами вычислительной техники как по стандартным интерфейсам компьютерной техники (RS-232C, USB, PCI и т.п.), так и в рамках существующих магистрально-модульных систем автоматизации (CAМАC, VME, Fastbus и т.п.). Такие компоненты в некоторых случаях могут выпускаться серийно (например, интерфейсы RS-232) или могут быть реализованы в виде IPядер на существующих ПЛИС разных типов.

Очевидно, что можно разделить для дальнейшего рассмотрения всю ЭКБ на аналоговую и цифровую. К аналоговым компонентам мы будем относить компоненты, воспринимающие и обрабатывающие аналоговый сигнал (амплитуда импульса напряжения или тока с детектора, средний ток детектора, аналоговые сигналы с различных технологических датчиков и т.п.), к цифровым – счетчики импульсов, регистры, схемы совпадений, логику отбора событий, цифровые формирователи временной отметки, специализированные БИС и микроконтроллеры, всевозможные ПЛИС и т.д.

Для преобразования аналогового сигнала в цифровой обычно используются всевозможные виды АЦП, являющиеся важной составной частью электронного тракта физического эксперимента. В зависимости от требований эксперимента разработчик выбирает АЦП соответствующей архитектуры и эксплуатационных характеристик. В пособии далее будут даны рекомендации по выбору типа АЦП для некоторых стандартных случаев. Для управления некото-

5

рыми параметрами основного (физического) электронного тракта и технологическими системами эксперимента часто используются БИС ЦАП различных видов.

Стандартными компонентами амплитудного тракта обычно являются усилители различного назначения: зарядо-чувствительные усилители, линейные импульсные усилители, формирователи импульсов, дискриминаторы, буферные усилители. В ряде случаев используются специальные устройства – логарифмические усилители, аналоговые ключи и коммутаторы, восстановители базовой линии и т.п. Схемотехника усилителей чрезвычайно разнообразна и зависит от типа используемых детекторов, и от специальных условий и требований к конкретному эксперименту или прибору. Например, при эксплуатации физической установки на борту КА к электронному обеспечению могут предъявляться жесткие требования по надежности конструкции и стойкости к спецвоздействиям. В 50 – 70-х гг. прошлого века аналоговый тракт физических установок конструировался, как правило, на дискретной ЭКБ: электровакуумных приборах и дискретных полупроводниковых компонентах – биполярных и полевых транзисторах различных типов. Однако все возрастающие требования к установкам физического эксперимента, резкий рост числа каналов регистрации и, естественно, электроники, приводили к тому, что объемы и энергопотребление электроники эксперимента заметно возрастали, а надежность всех электронных систем резко снижалась. Однако появление новой ЭКБ – интегральных схем – могло принципиально изменить ситуацию для разработчиков электронной аппаратуры физического эксперимента: снизить габариты и энергопотребление устройств, повысить их функциональность и надежность. К началу 80-х гг. мировая промышленность выпускала уже несколько сотен наименований ИС для аналоговой техники: усилителей, компараторов, аналоговых ключей и т.п. Особенно активно на рынке аналоговых ИС работали фирмы Analog Devices, Signetics, Fairchild, Linear Technology, National Semiconductors, Harris, Precision Monolithic и неко-

торые другие. Заметную часть электронного обеспечения физического эксперимента уже можно было разработать на имеющейся номенклатуре серийных ИС. В особых случаях, когда требовались высокие характеристики устройства, некоторые фирмы – изготовители аппаратуры физического эксперимента организовывали собственное производство малосерийных специализированных ин-

6

тегральных и гибридных схем. Такой подход к созданию уникальной ЭКБ для аппаратуры физического эксперимента удовлетворял разработчиков физической аппаратуры, но не приносил прибыли фирмам-изготовителям из-за малой тиражности такой ЭКБ, и в настоящее время лишь единичные фирмы производят собственную ЭКБ для научных приборов (например, фирма Amptek). К концу ХХ в. мировая микроэлектронная промышленность освоила выпуск тысяч новых наименований аналоговой ЭКБ на основе новых перспективных технологий, что предоставило разработчикам физической аппаратуры новые возможности. В данном пособии будут рассмотрены основные принципы выбора аналоговой ЭКБ для аппаратуры ядерно-физического эксперимента.

Временной тракт заметно отличается от амплитудного. Основным компонентом временного тракта является устройство, обеспечивающее формирование логического сигнала о моменте регистрации частицы, независимо от амплитуды импульса детектора – формирователь временной отметки. В зависимости от типа детектора и от требований к точности временной отметки применяют различные способы ее получения: дискриминатор по ведущему фронту импульса (leading edge – LE), формирователь со следящим порогом

(constant fraction discriminator – CFD) и некоторые другие. В даль-

нейшем информация с формирователей может использоваться для схем совпадений, для построения временных распределений регистрируемых событий и в триггерных схемах предварительного отбора событий. В формирователях временной отметки обычно используются ИС быстродействующих компараторов и логики. Практическая реализация таких устройств в 80 – 90-х гг. позволяла получить точность временной привязки порядка 50 пс в диапазоне входных амплитуд 50 мВ – 5 В. В начале XXI в. в связи с бурным развитием современных цифровых систем связи и контрольноизмерительного оборудования, быстродействующая серийная ЭКБ, пригодная для реализации временных трактов устройств ядернофизического эксперимента, была существенно обновлена. Наиболее активный вклад в этот процесс внесли фирмы Analog Devices, Micrel, ON Semiconductors, Hittite и некоторые другие. Разработан-

ная и выпускаемая ими новая ЭКБ позволила разработчикам оборудования для физического эксперимента заметно улучшить функциональность систем временного тракта, снизить габариты устройств и энергопотребление. Схемы совпадений и логики отбора

7

событий традиционно используют ИС быстродействующей логики малой и средней степени интеграции. Например, ИС из широко известного семейства логики МС10000 (фирмы Motorola) обеспечивают задержку распространения сигнала порядка 1– 1,5 нс на один логический элемент, и при сложной конфигурации логики отбора событий временная задержка триггерного сигнала может стать заметной. Современная ЭКБ фирм Micrel, ON Semiconductors, Hittite и др. имеет задержку распространения сигнала в ЛЭ порядка 20– 300 пс, что заметно расширяет возможности временного тракта физического эксперимента. Заметный вклад в современную архитектуру логики отбора событий могут внести также современные ПЛИС разных видов, функциональный объем которых и быстродействие постоянно растут. Наиболее известны у разработчиков физического оборудования ПЛИС различных архитектур фирм Altera, Xilinx, Actel, Lattice. Подробнее вопросы, связанные с выбором ЭКБ временного тракта физического эксперимента, будут в данном пособии рассмотрены ниже.

Одним из ответственных компонентов электронного тракта современного физического эксперимента являются всевозможные преобразователи “аналог – код”. Наиболее известны в практике физического эксперимента преобразователи “амплитуда импульса – код”, “заряд – код” и “время – код” (АЦП, ЗЦП и ВЦП соответственно). В последнее время находят применение и дигитайзеры – высокоскоростные АЦП, позволяющие кодировать поток аналоговых данных в реальном времени. Как правило, блоки кодирования конструируются на базе БИС АЦП различных архитектур, наиболее распространенными для задач ядерно-физического эксперимента являются АЦП поразрядного уравновешивания, параллельные и конвейерные АЦП. Доступны БИС АЦП с разрядностью кодирования от 6 до 20 бит и частотой выборок от единиц гигагерц до десятков килогерц, наиболее распространены изделия фирм Analog Devices, Linear Technology, National Semiconductors, Мaxim, Datel, Texas Instruments. Большой выбор изделий позволяет разработчику физической аппаратуры наиболее оптимально удовлетворить требованиям эксперимента. Кроме того, ряд фирм (C.A.E.N, Wiener, Canberra и др.) продолжает выпускать всевозможные модули преобразователей всех типов – АЦП, ВЦП и ЗЦП – в стандартах VME и CAМАC. Эти модули активно используются в составе электронной аппаратуры ядерно-физического эксперимента на ускорителях в научных цен-

8

трах: CERN, GSI, DESY и др. Основные принципы выбора АЦП будут рассмотрены ниже.

Основными тенденциями, которые наблюдаются в современной цифровой интегральной схемотехнике, являются:

стремление к увеличению быстродействия устройств; увеличение скорости обмена информацией между отдельными

компонентами системы или устройствами; увеличение степени интеграции цифровых интегральных схем,

т.е. увеличение числа логических элементов, размещенных на кристалле, и, как следствие, возможность создания в одной интегральной схеме сложных, функционально законченных схем и даже

“систем на кристалле” (System on Chip – SoC);

уменьшение мощности потребления цифровых устройств, что особенно важно при создании мобильных систем и устройств, предназначенных для работы в особых условиях эксплуатации (космос, оборона и т.д.).

В настоящее время промышленность предлагает широкий выбор инструментов для создания устройств и приборов с целью применения в различных отраслях научных исследования (ядерной медицине, ядерной физике, космических исследованиях и т.д.). Далее будет рассмотрена часть этого спектра: тенденции в развитии стандартных цифровых интегральных схем, интерфейсных, программируемых логических интегральных схем (ПЛИС), заказных и полу-

заказных интегральных схем (ASIC – aided specified integral chips);

состояние дел в такой “традиционной” области электроники, как энергонезависимые запоминающие устройства. Кроме того, здесь делается основной упор на компоненты и технологии, которые могут быть использованы или используются в областях, связанных с космическими исследованиями и медициной.

9

ГЛАВА 1. АНАЛОГОВЫЕ УСТРОЙСТВА ДЛЯ ЯДЕРНО-ФИЗИЧЕСКИХ ПРИБОРОВ И СИСТЕМ

Амплитуда сигналов детекторов, как правило, недостаточна для срабатывания регистрирующих и анализирующих устройств. Так у импульсных ионизационных камер и полупроводниковых детекторов она составляет единицы – сотни микровольт. В то же время динамический диапазон входных сигналов таких, например, приборов как АЦП (аналого-цифровой преобразователь) обычно составляет 0 – 10 В. Поэтому сигналы детекторов необходимо, как правило, усиливать в 102 – 107 раз в зависимости от типа детектора и энергии регистрируемого излучения. Обычно усилительное устройство состоит из двух частей – предусилителя и основного усилителя. Основная задача, которую выполняют предусилители – это усилить и преобразовать сигнал с детектора без заметного ухудшения отношения сигнал/шум. Предусилитель располагается как можно ближе к детектору, чтобы свести к минимуму паразитные емкости, индуктивности и наводки на входные цепи. Регулировки, необходимые для оперативной работы, в предусилителе сведены к минимуму. Основной усилитель располагается обычно за радиационной защитой, часто на довольно большом расстоянии от предусилителя и детектора. В предусилителях используются различные способы обработки сигналов, в зависимости от типа детектора и от того, измеряется амплитуда (энергия) или момент регистрации частицы детектором.

Сигналы от детекторов некоторых типов, таких, например, как сцинтилляционные детекторы с фотоэлектронными умножителями (ФЭУ), довольно велики (от десятков милливольт до единиц вольт), что при временных измерениях и простом счете событий позволяет соединять их непосредственно с быстрыми усилителями с малыми входными сопротивлениями. А при измерении энергии требуется использовать относительно простые предусилители, с учетом того, что они не будут вносить заметного ухудшения в относительно низкое (6 – 20 %) разрешение этих устройств.

Для рентгеновской и гамма-спектроскопии, спектроскопии заряженных частиц часто используются детекторы с высоким энергетическим разрешением (до долей процента), такие как кремниевые и германиевые детекторы и пропорциональные счетчики. Сигналы

10