Один TDC измерил и время, и амплитуду наносекундного импульса
Сцинтилляционный детектор выдаёт короткую аналоговую вспышку, а цифровой считыватель обычно замечает только момент пересечения порога. Высота импульса, несущая информацию о событии, живёт всего несколько наносекунд: к моменту, когда её пытается оцифровать обычный медленный тракт, пика уже нет. Предложенная дискретная схема оставляет от этого пика измеримый временной отпечаток.
Пик сохраняют до того, как он исчезнет
Первый фронт цифрового выхода появляется при пересечении порога и сохраняет временную метку события. Затем схема ждёт около 3 ns — суммарную задержку компараторного узла и ключа. За этот промежуток входной импульс успевает подойти к вершине. Аналоговый ключ переключает накопительный конденсатор: напряжение на нём фиксируется, а вход компаратора отключается от детектора. Хвост исходной вспышки, звон линии и поздние выбросы уже не могут сдвинуть задний фронт цифрового импульса.
Дальше конденсатор разряжается через резистивную цепь до порога. Чем выше был пойманный пик, тем дольше идёт разряд и тем шире получается цифровой импульс. TDC измеряет его ведущий и задний фронты, получая время прихода и амплитудную метрику через единственный цифровой выход. Идея похожа на time-over-threshold, однако длительность здесь задаёт удержанное напряжение возле пика, а не вся форма аналогового хвоста над порогом.
Компаратор из LVDS-приёмника и ключ из логической серии
Реализация особенно хороша своей приземлённостью. Быстрым компаратором служит LVDS-приёмник SN65LVDS2, применённый вне штатной роли интерфейсной микросхемы. Переключение выполняет SPDT-ключ 74LVC1G3157; вокруг него стоят пороговая цепь, положительная обратная связь, накопительный конденсатор и резисторы разряда. Автор собрал и измерил восьмиканальную плату, а не ограничился SPICE-моделью.
На тестовых импульсах с фронтом 3 ns и экспоненциальным хвостом 5 ns ширина выходного сигнала почти линейно зависела от амплитуды до 0.5 V. В этой области наклон составил около 27 ps/mV. Характеристика продолжается выше 2 V, но постепенно уплощается: конденсатор разряжается резисторами, поэтому постоянный ток и линейная шкала на всём диапазоне здесь физически не получаются. Оценка относительной ошибки ниже 0.5% выше 0.5 V выведена из джиттера ширины и локального наклона характеристики; это верхняя граница для данной установки, а не абсолютная точность энергетической калибровки.
Паразитный заряд становится частью преобразования
Даже зарядовая инжекция ключа здесь получила полезную роль. Паразитные ёмкости и смещение одного из выводов к половине питания перераспределяют заряд при коммутации. Автор оценивает сжатие эффективного диапазона примерно на 10% к VCC/2, зато малые входные импульсы оставляют более длинный временной след, удобный для TDC.
Что именно пока подтверждает плата
До готового универсального front-end ещё далеко. Заявленное мёртвое время менее 100 ns остаётся целевым параметром конструкции, а измерения проведены на конкретной плате и искусственно сформированных импульсах; независимой репликации пока нет. Но сама топология меняет привычное разделение ролей: TDC способен читать амплитуду без отдельного быстрого АЦП, если аналоговая часть успеет на несколько наносекунд превратить исчезающий пик в интервал времени.