概述
SiPM读出测试系统目前已经迭代到了第四和第五代，未来还会向第六代、第七代演进。四代与五代迭代目的是为了选择合适的比较器，原型验证不比AISC设计，只能从当前市场上寻找并选择合适的比较器，然而，当前市面上适合使用的高速比较器产品较少。
比较器的选型，后面再讨论，本文开始初步说明比较器检测脉冲的基本原理，即基于前一篇《四代SiPM读出系统规划及基于SiPM的PET概览》有关时间涨落起伏说起。
高速比较器工作原理简述
高速比较器工作原理基于差分放大器与输出级组合，通过输入信号与参考电压的比较来控制输出信号的状态。差分放大器是电压比较器的核心部分，它由一个差动放大电路构成。差分放大器有两个输入端口（正输入端口和负输入端口），分别输入两个待比较的电压信号VIN+和VIN-。
而对于SiPM读出测试系统，比较器用于模拟脉冲的快速检出。所以模拟信号被引入到比较器的正输入端口，而参考电压则引入比较器的负输入端口（如果是检测负极性脉冲，也可以反过来连接）。图1中虚线展示的是参考阈值（从比较器负输入端口接入），而实线三角脉冲（从比较器正输入端口接入）则演示了待测模拟脉冲。实际测试的时候，由于可能需要依据情况调整参考电压，所以参考阈值一般由高精度DAC控制。
模拟脉冲检出后，比较器输出级会产生并输出标准的矩形方波，该标准的矩形方波可以方便后续TDC对其上升沿到达时间的测量。
SiPM(MPPC)对光信号的探测
如图2所示，SiPM可以对多个光子同时检测输出单一的电信号。所以比较器处理的输入模拟脉冲来自于多个光子源，也即信号内部可以看出多个光子元素合并而成的单个模拟脉冲，如图3所示，展示了不同光子数电荷经过转换后对应的能量或幅度值。滨松对此有了详细解释，SiPM（MPPC）由多个工作在盖革模式的APD串联淬灭电阻组成。首先，APD（Avalanche Photo Diode，雪崩光电二极管）是一种具有高速度、高灵敏度的光电二极管，当加有一定的反向偏压后，它就能对光电流进行雪崩放大。光生载流子通过倍增就会产生一个大的光脉冲，而通过对这个脉冲的检测，就可以检测到单光子。将盖革模式下的APD上连接一个淬灭电阻作为1个像素，就构成了MPPC的基本单元，而它输出的总和也构成了MPPC的输出，后则根据该输出进行光子计数或者信号强度的测量。
实际测量的时候参考阈值的设置对于脉冲检出来说并无特殊要求，但是为了获得最佳的CRT（Coincidence Resolving Time）（也称为CTR，Coincidence Time Resolution），如图1展示的，需要将参考阈值设置的越低越好。图3为滨松公司测量得到不同光子数量，SiPM测量输出的脉冲信号，而图4则为SST实际SiPM读出测试系统比较器实际检测输入并给出输出方波。
SST已经在三代SiPM读出测试系统中开展了符合测试，表1结果则是在六代读出系统测量并记录的结果。表1第一列是不同的参考阈值设定值，第二列是不同参考阈值对应的CTR测量结果代码。测试条件SiPM的偏置电压是42.46V，测量结果代码由TDC直接给出的时间戳在离线统计两个读出测试板的时间差的FWHM得来。TDC的平均LSB为7.8ps，所以表1中最佳CTR值为298ps。
从表1的结果，可以明显看出，阈值越低，CRT的结果越好，在1.2mV的时候获得了最优结果。继续降低阈值到0.9mV测量结果急剧变差，这是由于阈值水平已经触及到了待测信号的噪声基线，特别是SiPM的暗脉冲此时被大量检出。
参考
[1] Development of Multi-Channel Fast SiPM Readout Electronics for Clinical TOF PET Detector
[2] MAXIM, Dual ECL and Dual/Quad PECL, 500ps, Ultra-High-Speed Comparators
作者：面包板社区博主 coyoo
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