시간 측정 시 신호 발생 시점의 기준 펄스를 발생시키는데 사용되는 time pickoff 회로는 기준 펄스의 발생 시점이 입력 신호의 크기에 영향을 받는 time walk로 인해 측정 오차를 겪는다. 본 논문에서는 이와 같은 time walk를 감소시키기 위해 자동 이득 조절(AGC: Automatic Gain Control)을 이용한 time pickoff 방식을 제안한다. 자동 이득 조절부는 가변 증폭부와 바이어스부, 입력 신호의 크기를 측정하는 크기 획득부로 구성되며, 기준 펄스를 발생하는 비교기 앞에 위치한다. 그리고, 비교기 입력 신호의 크기를 거의 일정하게 조절함으로써, time walk 발생 원인을 최소화하고 기준 펄스 발생 시점의 변화를 감소시킨다. 제안한 time pickoff 회로의 동작은 SPICE시뮬레이션과 실험을 통하여 확인하였다. 20dB의 dynamic range와 4 ns의 상승 시간을 가지는 입력 신호에 대해 측정된 time walk는 2 ns로, 일반적으로 널리 사용되는 leading edge discriminator에 비해 약 65% 개선된 성능을 보였다.
시간 측정 시 신호 발생 시점의 기준 펄스를 발생시키는데 사용되는 time pickoff 회로는 기준 펄스의 발생 시점이 입력 신호의 크기에 영향을 받는 time walk로 인해 측정 오차를 겪는다. 본 논문에서는 이와 같은 time walk를 감소시키기 위해 자동 이득 조절(AGC: Automatic Gain Control)을 이용한 time pickoff 방식을 제안한다. 자동 이득 조절부는 가변 증폭부와 바이어스부, 입력 신호의 크기를 측정하는 크기 획득부로 구성되며, 기준 펄스를 발생하는 비교기 앞에 위치한다. 그리고, 비교기 입력 신호의 크기를 거의 일정하게 조절함으로써, time walk 발생 원인을 최소화하고 기준 펄스 발생 시점의 변화를 감소시킨다. 제안한 time pickoff 회로의 동작은 SPICE 시뮬레이션과 실험을 통하여 확인하였다. 20dB의 dynamic range와 4 ns의 상승 시간을 가지는 입력 신호에 대해 측정된 time walk는 2 ns로, 일반적으로 널리 사용되는 leading edge discriminator에 비해 약 65% 개선된 성능을 보였다.
A time-pickoff circuit used for time measurement suffers from a timing error due to the dependence of the generation time of a timing pulse on the size of the input signal, i.e., time walk. In this study, a time-pickoff method, which employs an automatic gain control (AGC) circuit, is proposed for r...
A time-pickoff circuit used for time measurement suffers from a timing error due to the dependence of the generation time of a timing pulse on the size of the input signal, i.e., time walk. In this study, a time-pickoff method, which employs an automatic gain control (AGC) circuit, is proposed for reducing the timing error. The AGC circuit is added to the input of the comparator, and it renders the sizes of input signals of the comparator relatively uniform. The performance of the proposed time-pickoff method is analyzed using the SPICE simulation, and experiments are performed to confirm the analytical results. The measured time walk is reduced to 2.000 ns by 65% for input signals with a dynamic range of 20 dB as compared to a typical leading-edge discriminator.
A time-pickoff circuit used for time measurement suffers from a timing error due to the dependence of the generation time of a timing pulse on the size of the input signal, i.e., time walk. In this study, a time-pickoff method, which employs an automatic gain control (AGC) circuit, is proposed for reducing the timing error. The AGC circuit is added to the input of the comparator, and it renders the sizes of input signals of the comparator relatively uniform. The performance of the proposed time-pickoff method is analyzed using the SPICE simulation, and experiments are performed to confirm the analytical results. The measured time walk is reduced to 2.000 ns by 65% for input signals with a dynamic range of 20 dB as compared to a typical leading-edge discriminator.
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문제 정의
실제 time pickoff 회로는 기준 펄스의 응답 시간이 입력 신호의 크기와 기울기에 의존하는 time walk를 보이며 이는 시간 측정의 주요한 오차가 된다. 본 논문에서는 이와 같은 time walk를 감소시키기 위해 자동 이득조절(AGC)을 이용한 time pickoff 회로를 제안하고 PSPICE 시뮬레이션과 실험을 통해 동작을 확인하였다.
이에 본 논문에서는 AGC를 적용한 time pickoff 개념을 실제로 구현하고 dynamic range를 20dB로 확장한 time pickoff 방식을 제시한다. AGC를 이용한 time pickoff 개념은 비교기의 응답 시간 차이를 발생시키는 근본 원인을 최소화한다는 장점이 있다.
제안 방법
AGC부는 가변 증폭부와 크기 획득부, 바이어스부로 구성된다. 가변 증폭부의 이득을 입력 신호의 크기에 반비례하게 조절함으로서, 기준 펄스를 발생시키는 비교기의 입력 신호의 크기와 기울기를 일정하게 하고 time walk를 감소시켰다.
제안한 AGC 기반의 time pickoff 회로의 동작을 SPICE 시뮬레이션을 통해 확인한다. 먼저, 가변 증폭부에서 바이어스 전압과 이득과의 관계를 확인하고 출력크기를 일정하게 하기 위해 요구되는 바이어스 전압을 산출한다.
상대적으로 작은 감쇄기의 출력 신호로 인해 비교기의 동작이 노이즈와 옵셋 변화에 크게 영향받는 것을 막기 위하여 2단으로 구성된 증폭기를 추가하였다.이 2단 증폭기는 고정 이득을 가지므로 전체 가변 증폭부의 이득은 감쇄기의 바이어스 전압 VC에 의해 조절된다.
V_IN은 크기 획득 (magnitude acquisition) 회로로부터 측정한 입력 신호의 크기이다. 이미 peak detector나 A/D 변환기 등의 많은 범용 크기 획득 회로가 존재하고 본 논문의 초점은 가변 증폭부이므로 입력 신호 V_IN은 DC 전압원으로 단순화하였다.
대상 데이터
입력 신호가 크면 FET의 동작점이 선형 영역을 벗어날 수 있으므로, 감쇄기를 증폭기앞에 위치시켰다. Q1과 Q2는 n-channel FET인 MMBF5486을 사용하였다. 가변 이득은 직렬 감쇄기의 바이어스 전압인 VC를 변화시켜 얻어지는데 VC가 증가함에 따라 Q1의 채널저항이 작아지고 감쇄 정도가 줄어들게 된다.
데이터처리
제안된 time pickoff 방식은 SPICE 시뮬레이션과 실험을 통해 성능을 확인하였다. 4 ns의 상승 시간을 가지는 입력 신호에 대해 20dB의 dynamic range에서 기본적인 leading edge discriminator에 대비 약 65%의 time walk 감소를 확인하였다.
제안한 AGC 기반의 time pickoff 회로의 동작을 SPICE 시뮬레이션을 통해 확인한다. 먼저, 가변 증폭부에서 바이어스 전압과 이득과의 관계를 확인하고 출력크기를 일정하게 하기 위해 요구되는 바이어스 전압을 산출한다.
성능/효과
제안된 time pickoff 방식은 SPICE 시뮬레이션과 실험을 통해 성능을 확인하였다. 4 ns의 상승 시간을 가지는 입력 신호에 대해 20dB의 dynamic range에서 기본적인 leading edge discriminator에 대비 약 65%의 time walk 감소를 확인하였다.
4 ns의 상승 시간을 가지는 입력 신호에 대해 30mV에서 300mV까지 10:1의 dynamic range에서 time walk 측정 결과는 2 ns로, 널리 사용되는 leading edge discriminator에 비해 65% 감소한 결과를 얻었다. 또한, 응답 시간이 입력 신호의 크기에 거의 무관한 경향을 보였다.
그림 10은 입력 신호의 크기와 응답 시간 사이의 관계를 나타낸 것으로, 좌측 그림이 제안한 time pickoff 방식, 우측 그림이 leading edge discriminator에서의 관계이다. LED에서 입력 신호가 클수록 응답 시간이 빨라지는 반비례 관계를 뚜렷이 보이는데 비해 제안한 방식에서는 큰 상관관계가 없음을 알 수 있다.
4V를 지날 때이다. Leading edge discriminator의 경우 입력 신호의 크기 변화에 따른 응답 시간의 변화인 time walk가 2.085 ns인데 비해 제안한 time pickoff 방식의 time walk는 0.909 ns로, 약 56% 감소를 보였다.
4 ns의 상승 시간을 가지는 입력 신호에 대해 30mV에서 300mV까지 10:1의 dynamic range에서 time walk 측정 결과는 2 ns로, 널리 사용되는 leading edge discriminator에 비해 65% 감소한 결과를 얻었다. 또한, 응답 시간이 입력 신호의 크기에 거의 무관한 경향을 보였다.
시뮬레이션 결과와 마찬가지로 leading edge discriminator에 비해 제안된 time pickoff 방식에서 기준 펄스의 발생 시점의 변화가 줄었음을 알 수 있다. 제안된 방식에서의 time walk는 2 ns로, leading edge discriminator의 5.
시뮬레이션 결과와 마찬가지로 leading edge discriminator에 비해 제안된 time pickoff 방식에서 기준 펄스의 발생 시점의 변화가 줄었음을 알 수 있다. 제안된 방식에서의 time walk는 2 ns로, leading edge discriminator의 5.644 ns에 비해 65% 감소하였다. 시뮬레이션 결과에 비해 time walk가 증가한 것은 노이즈로 인해 threshold 레벨을 증가시켰기 때문으로 판단된다.
그림 7은 시뮬레이션 결과 발생한 기준 펄스를 나타낸 것으로, 위 그림이 제안한 time pickoff 회로, 아래 그림이 일반적인 leading edge discriminator의 결과이다. 제안된 방식에서의 기준 펄스의 발생 시점이 상대적으로 적게 변화함을 알 수 있다.
후속연구
향후 넓은 입력 범위를 가지는 가변 증폭부 구조와 가변 증폭부 출력의 베이스 라인 변화 감소에 대한 연구를 통해 상용 CFD 수준 이상의 입력 dynamic range와 time walk 확보가 가능할 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
Time pickoff 회로의 방식은 무엇이 있는가?
Time of flight와 같은 시간 측정을 위해서는 원하는 신호가 발생한 시점에 정확히 생성된 기준 펄스가 필요하다. Time pickoff 회로는 이와 같은 기준 펄스를 생성하는 회로로서, 널리 사용되고 있는 방식으로는 leading edge discriminator, constant fraction discriminator, zero crossing discriminator가 있다.
Leading edge discriminator의 장점은 무엇인가?
Leading edge discriminator는 가장 기본적인 time pickoff 회로로서, 비교기와 threshold 레벨 설정부로만 구성되어 구조가 매우 단순하고 세팅이 용이하다는 장점이 있다. 하지만, 기준 펄스의 발생 시점이 입력 신호의 크기에 의존하는 time walk가 커서 높은 시간 정밀도를 위해서는 offline correction, double threshold와 같은 추가 기술이 요구된다[1～2].
Constant fraction discriminator의 단점은 무엇인가?
Constant fraction discriminator (CFD)는 상승 시간이 일정한 입력 신호에서 신호의 크기가 일정 비율에 도달하는 시점은 크기에 상관없이 일정하다는 점을 이용한 방법으로, 이론적으로는 time walk를 갖지 않는다. 그러나, 회로에 사용된 비교기의 응답 시간이 입력 신호의 크기에 반비례하는 성향이 있어 실제로는 time walk를 보이며[3] 이를 감소시키기 위해 신호 크기에 따른 딜레이 조절과 같은 추가 기술이 사용되고 있다[4].
참고문헌 (8)
H. Lim and J. Park, "Comparison of time corrections using charge amounts, peak values, slew rates, and signal widths in leading-edge discriminators," Rev. Sci. Instr., Vol. 74, No. 6, pp. 3115-3119, June 2003.
A. R. Frolov, T. V. Oslopova, Y. N. Pestov, "Double threshold discriminator for timing measurements," Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 356, pp. 447-451, 1995.
D. M. Binkley and M. E. Casey, "Performance of Fast Monolithic ECL Comparators in Constant-Fraction Discriminators and Other Timing Circuits," IEEE Trans. Nucl. Sci., Vol. 35, pp. 226-230, Feb., 1988.
H. Yu, R. S. Miyaoka, and T. K. Lewellen, "Investigation of Delay Compensation Circuit Techniques to Reduce Timing Walk," in Proc. of IEEE Nucl. Sci. Symp. Conf. Rec., pp. 412-416, 1998.
K. Horiuchi and T. Taniguchi, "A Zero-cross Timing Discriminator for a Pure CsI Calorimeter," in Proc. of IEEE Nucl. Sci. Symp. Conf. Rec., pp. 356-358, Nov. 1992.
M. W. Jochmann, "Development of a CMOS Integrated Zero-Crossing Discriminator using Analog Continuous-Time Division," IEEE Trans. Nucl. Sci., Vol. 44, No. 3, pp. 308-311, June 1997.
H. Lim, J. Yoon, S. Min and J. Park, "Time Pick-off method by using the Automatic Gain Control (AGC)," in Proc. of IEEE Nucl. Sci. Symp. Conf. Rec., pp. 800-802, Nov. 2001.
Analog Devices Inc., AD734 Data Sheet, 1999. [Online]. Available:http://www.analog.com
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