Diskriminator
CFD, Constant Fraction Discriminator (CFD), Time-to-Digital Converter (TDC, time tager), Time-Walk, Time-over-Threshold (ToT), Jitter, Ndigo Digitizer, TCSPC, ToF-MS
Ein Diskriminator ist eine elektronische Schaltung, die analoge Detektorsignale (z. B. von Photomultipliern, MCPs, SiPMs, APDs oder Szintillatoren) in standardisierte digitale Logiksignale oder präzise Zeitstempel umwandelt. In der zeitkorrelierten Messtechnik markiert das Ausgangssignal des Diskriminators den exakten Zeitpunkt eines Detektorereignisses für die nachfolgende Verarbeitung durch Time-to-Digital Converter (TDCs).
Gängige Diskriminator-Typen:
- Schwellenwert-Diskriminator (Leading Edge Discriminator, LED): Die einfachste und schnellste Bauform. Er vergleicht das Eingangssignal mit einer festen Schwellenspannung (Vth). Überschreitet das Signal die Schwelle, schaltet der Ausgang. Bei schwankenden Pulshöhen entsteht jedoch ein systematischer Zeitfehler, der Time-Walk: Höhere Pulse erreichen die Schwelle früher als flachere Pulse.
- Constant Fraction Diskriminator (CFD): Vergleicht das Signal mit einem festen Prozentsatz seiner eigenen Spitzenamplitude (meist 20–40 %). Dadurch wird der Time-Walk für Signale mit konstanter Anstiegszeit vollständig eliminiert. (Detaillierte Informationen siehe separater Glossarbeitrag zum CFD).
- Nulldurchgangs-Diskriminator (Zero-Crossing Discriminator, ZCD): Wird vor allem bei bipolaren oder differenzierten Detektorpulsen eingesetzt, um den Zeitpunkt des Nulldurchgangs unabhängig von der Amplitude zu detektieren.
Diskriminierung in der modernen High-End-Datenerfassung:
- Integrierte, kanalindividuelle Komparatoren & Time-over-Threshold (ToT) bei TDCs: Moderne TDCs wie der cronologic xTDC4 oder xHPTDC8 besitzen auf jedem Eingangskanal einen softwaregesteuerten, hochpräzisen Komparator mit individuell konfigurierbarer Schwelle (positiv oder negativ). Durch die pikosekundengenaue Erfassung sowohl der steigenden als auch der fallenden Signalflanke wird die Pulsbreite (Time-over-Threshold, ToT) gemessen. Über diese Breiteninformation lässt sich der Time-Walk rein rechnerisch korrigieren, ohne externe analoge CFD-Schaltungen zu benötigen. Alternativ kann ein Signal über mehrere TDC-Kanäle mit unterschiedlichen Schwellen abgetastet werden (Multi-Threshold).
- Digitale Diskriminierung in High-Speed-Digitizern: Bei Digitizern der cronologic Ndigo-Serie (5 GS/s bzw. 6 GS/s) wird das analoge Signal direkt vollständig digitalisiert. Algorithmen wie digitaler CFD (dCFD), Gauß-Fitting oder digitale Filterung laufen in Echtzeit auf dem FPGA oder im Post-Processing und erlauben maximale Flexibilität selbst bei verrauschten Pulsen oder Pulsüberlagerungen (Pile-up).
Funktionsweise eines Diskriminators: Umwandlung eines analogen Detektorimpulses in digitale Zeitinformationen über feste Schaltschwellen (Leading Edge), Pulsbreiten-Messung (ToT) oder digitale Abtastung.