Experimental comparison of voltage-mode and time-based timing and energy read-out circuits

Modern applications like nuclear measurements, and energy discriminating detectors, to name a few of the most prevalent, have all witnessed a significant increase in timing measurements. For this purpose, high-performance Time-to-Digital Converters (TDCs) play an increasingly key role. However, in many setups, the measurement of occurrence time of an event is accompanied by the measurement of the energy associated with it. Therefore, the ideal would be to combine the measurements of the two parameters with the performance required by the specific experimental context. In literature, entirely time-based solutions are available, such as the Time-over-Threshold (ToT) technique, or mixed solutions in which the TDC, used for timing only, is coupled with a voltage-mode analog circuit for energy readout (a.k.a., amplitude or area of the signal), such as a Peak-Detector (PD) or an integrator (INT) that interfaces via Analog-to-Digital Converter (ADC) to a digital system. This paper investigates the performance obtained in terms of energy (i.e., amplitude and area) and timing measurements, highlighting the strengths and weaknesses of the proposed approaches. Moreover, to minimize the impact of jitter, the ToT technique will also be validated using a Charge Readout (CR) circuit. The circuits were implemented on a Printed Circuit Board (PCB) and interfaced to a Xilinx 28-nm Artix-7 200T Field Programmable Gate Arrays (FPGA) housed in a Nexys Video Board. In the FPGA, in addition to the logic for interfacing with the ADC for amplitude and area read-out, a TDC with a precision of 12 ps r.m.s. is also included. The TDC is responsible not only for generating the timestamp for the PD and INT circuits but also for estimating the energy in the ToT with and without the CR. It can be observed that it is possible to detect energy correlated measurement up to some volts with a precision of a few millivolts using both time-based and voltage-mode approaches at rates of Msps maintaining a temporal resolution of tens of picoseconds.

Applicazioni moderne come le misurazioni nucleari e i rivelatori discriminanti di energia hanno tutte registrato un aumento significativo delle misurazioni temporali. A questo scopo, i convertitori tempo-digitale (TDC) ad alte prestazioni giocano un ruolo sempre più importante. Tuttavia, in molti contesti, la misurazione del tempo di comparsa di un evento è accompagnata dalla misura dell'energia ad esso associata. Pertanto, l'ideale sarebbe combinare le misurazioni dei due parametri con le prestazioni richieste dal contesto sperimentale specifico. Nella letteratura sono disponibili soluzioni interamente basate sul tempo, come la tecnica Time-over-Threshold (ToT), o soluzioni miste in cui il TDC, utilizzato solo per il timing, è accoppiato con un circuito analogico per la lettura dell'energia (ampiezza o area del segnale), come ad esempio un Peak-Detector (PD) o un integratore (INT) che si interfacciano tramite Convertitore Analogico-Digitale (ADC) a un sistema digitale. Questo articolo investiga le prestazioni ottenute in termini di misurazione di energia (valori di ampiezza o area) e misure temporali, evidenziando i punti di forza e le debolezze degli approcci proposti. Inoltre, per minimizzare l'impatto della variazione di temporizzazione, la tecnica ToT verrà anche convalidata utilizzando un circuito di lettura della carica (CR). I circuiti sono stati implementati su una scheda a circuito stampato (PCB) e interfacciati a una matrice di porte programmabile, FPGA Xilinx 28-nm Artix-7 200T montata su una scheda Nexys Video. Nell'FPGA, oltre alla logica per l'interfacciamento con l'ADC per la lettura dell'ampiezza e dell'area, è incluso anche un TDC con una precisione di 12 ps r.m.s. Il TDC è responsabile non solo della generazione del timestamp per i circuiti PD e INT, ma anche della stima dell'energia nel ToT con e senza il CR. Si può osservare che è possibile rilevare misurazioni correlate all'energia fino ad alcuni volt, con una precisione di alcuni millivolt e a frequenze di Msps mantenendo una risoluzione temporale di decine di picosecondi.