用于探測器信號讀出前端ASIC - 中國科學(xué)院高能物理研究所

1、2010-8-15NED20101用于探測器信號讀出的前端ASIC 2010年年 8月月15日日中國科學(xué)院高能物理研究所中國科學(xué)院高能物理研究所王王 錚錚中國科學(xué)院中國科學(xué)院“核探測技術(shù)與核電子學(xué)核探測技術(shù)與核電子學(xué)”重點實驗室重點實驗室2010-8-15NED20102主要內(nèi)容 國際上ASIC技術(shù)發(fā)展動態(tài) 半導(dǎo)體探測器讀出ASIC（FEI-4，MIMOSA26） 氣體探測器讀出ASIC（TIMEPIX） 國內(nèi)ASIC研究進展2010-8-15NED20103半導(dǎo)體探測器讀出ASIC 探測器與ASIC采用hybrid結(jié)構(gòu) FEI4 探測器與ASIC作在同一個襯底上（單片結(jié)構(gòu)） MINOSA26

2、2010-8-15NED201042010-8-15NED20105Pixel Detector Module Breakdown16 FE chipsSensor tileBump bondsPP0 connectionFlex HybridWire bonds2010-8-15NED20106Frontend Chip - FE-I4FE-I3Largest Chip in HEPReview Nov 3-4,2009New FE-I4Pixel size = 250 x 50 m2Pixels = 80 x 336Technology = 0.13mPower = 0.5 W/cm220

3、10-8-15NED20107Development of CMOS Pixel Sensors for Charged Particle Tracking Design according to 3 issues: Increasing S/N at pixel-level A to D Conversion at column-level Zero suppression at chip edge level Power v.s. speed: Power Readout in a rolling shutter modeSpeed 1 row pixels are read out /

4、MIMOSA26 is a reticule size MAPS with binary output, 10 k images / s Pixel array: 1152 x 576, 18.4 m pitch Hit density: 1E6 particles/cm/s Architecture: Pixel (Amp+CDS) array organised in / columns r.o.in the rolling shutter mode 1152 ADC, a 1-bit ADC (discriminator) / column Integrated zero suppres

5、sion logic Remote and programmable Lab. and beam tests: 62 chips tested, yield 75-90%21.5 mm13.7 mmMIMOSA26Active area: 10.6 x 21.2 mm2Pixel ArrayRolling shutter modeADCZero suppression2010-8-15NED20108MIMOSA26: 1st MAPS with Integrated nPixel array: 576 x 1152, pitch: 18.4 mnActive area: 10.6 x 21.

6、2 mm2nIn each pixel:AmplificationCDS (Correlated Double Sampling)n1152 column-level discriminatorsoffset compensated high gain preamplifier followedby latchnZero suppression logicnMemory managementnMemory IP blocksnReadout controllernJTAG controllernCurrent Ref.nBias DACsnRow sequencernWidth: 350 mn

7、I/O PadsPower supply PadsCircuit control PadsLVDS Tx & RxCMOS 0.35 m OPTO technology, Chip size : 13.7 x 21.5 mm2nTestability: several test points implemented all along readout pathPixels out (analogue)DiscriminatorsZero suppressionSignal transmissionnReference Voltages Buffering for 1152 discrimina

8、torsnPLL, 8b/10b optionalIntegration time: 100 s R.O. speed: 10 k frames/sHit density: 106 particles/cm/s2010-8-15NED20109氣體探測器ASIC（TIMEPIX） GEM探測器 -megas探測器2010-8-15NED2010102010-8-15NED2010112010-8-15NED201012TIMEPIX芯片 四種工作模式 TOT：測量信號過閾寬度（時鐘周期數(shù)） TIME：測量信號到達到公共停止信號時間間隔 MediPix:信號過閾次數(shù)計數(shù) OneHit: 來一個信

9、號即為1，無信號為0 與標(biāo)準(zhǔn)GEM探測器測試，性能指標(biāo)： 位置分辨：20 um （rms） 時間分辨：8ns （rms）2010-8-15NED201013國內(nèi)ASIC研究進展2010-8-15NED201014研究背景高密度、低功耗、低成本的讀出ASIC為了獲得粒子徑跡或圖像更高的位置分辨力，各種新型為了獲得粒子徑跡或圖像更高的位置分辨力，各種新型射線和粒子探測器的單元尺寸減小到射線和粒子探測器的單元尺寸減小到10m mm - 100m mm，稱為稱為密集陣列探測器密集陣列探測器。2010-8-15NED201015在研項目 GEM探測器讀出ASIC的研制 高能所科技創(chuàng)新項目，2007201

10、0，40萬 新型密集陣列探測器讀出ASIC的研制 NSFC重點項目，清華、近物所、高能所聯(lián)合，20082011，240萬 氣體探測器ASIC讀出電子學(xué)的研究 中科院核電子學(xué)與探測技術(shù)重點實驗室重點項目，30萬，2010年 2010-8-15NED201016 極低噪聲CMOS電荷靈敏前放的設(shè)計研究02468101260708090100110120 msENC e,rms Ib=0.1mAIb=0.2mAIb=0.4mAIb=0.6mAIb=0.8mAIb=1mA輸入電容0.1pFENC=61.3e噪聲水平達到國內(nèi)領(lǐng)先，和國外最好的幾個噪聲水平達到國內(nèi)領(lǐng)先，和國外最好的幾個電子的水平相比，還有

11、一定差距電子的水平相比，還有一定差距清華大學(xué)2010-8-15NED201017 多通道GEM探測器讀出ASIC的研制 第一版16通道CASA芯片的設(shè)計單通道包括電荷靈敏前放單通道包括電荷靈敏前放(CSA)、極零、極零相消、相消、CR-(RC)4成形和全差分緩沖輸出成形和全差分緩沖輸出CASA芯片版圖清華大學(xué)2010-8-15NED201018輸入電荷1500 fC增益1-19 mV/fC輸出脈寬200800 ns積分非線性2.5%串?dāng)_0.98%功耗8.9 mW/ch020406080100120010002000300040005000600070008000900010000Cin pFE

12、NC e,rms =25ns, ENC=50.3e*Cin/pF+220e=50ns, ENC=62.2e*Cin/pF+265e=75ns, ENC=70e*Cin/pF+256e=100ns, ENC=80.1e*Cin/pF+260eCASA主要性能指標(biāo)CASA噪聲測試結(jié)果與GEM探測器的測試結(jié)果GEM detectorCASACOOL-X X-ray Generator (peak 8keV)探測器信號波形清華大學(xué)2010-8-15NED201019GEM探測器讀出ASIC- GEMROC2009Nov，ver2 completed單通道原理圖單通道原理圖CSA+ShaperSimul

13、ationSimulationschematicschematicSchematics ver2Schematics ver2Chartered 0.35 ms technology16channel/chipStrip capacitance: 20100pFMost probable Qstrip:50fCLinear range: up to 200fC,inl100KHzNoise: 2000e,rmsGain:5mV/fCOutput: semi-Gaussian pulse50400ns peaking timePower consumption:20mW高能所高能所2010-8-

14、15NED201020GEMROC芯片掃描鏈單個讀出通道基準(zhǔn)和偏置模擬監(jiān)測緩沖92m1500m 16通道低噪聲電荷靈敏前放+積分成形電路電荷靈敏前放電荷靈敏前放極零相消極零相消RC積分積分輸出級輸出級高能所高能所2010-8-15NED201021SWAN芯片：開關(guān)電容陣列+Wilkinson型ADC832cell順序讀寫控制邏輯順序讀寫控制邏輯可預(yù)置純格雷碼計數(shù)器可預(yù)置純格雷碼計數(shù)器鎖存器和串行輸出鎖存器和串行輸出高能所高能所2010-8-15NED201022SWANSwitched-capacitor array with Wilkinson A/D convertors Next ve

15、rsion 8chn*32cell CAP array 12bit WADC optional 12bit/10bit/8bit mode clock : 50M / 100M serial data output optional LVDS or CMOS clock inputTapeout: Mar2009Tapeout: Mar2009LQFP100 packageTiming diagramGrey code output testRAMP circuit testADC noisechnlchnl0 01 12 23 34 45 56 67 7RMSRMS 0.540.54 0.5

16、90.59 0.590.590.620.62 0.620.62 0.610.61 0.590.59 0.560.56Chartered 0.35 ms technology高能所高能所2010-8-15NED201023四通道MAPMT放大讀出ASIC 適用于多陽極光電倍增管波形采樣波形采樣讀出的四通道模擬放大成形芯片，每個放大通道由 跨阻前放+ 濾波成形 +增益調(diào)整與輸出驅(qū)動極構(gòu)成。 2009年8月流片： 固定 136ns 成形時間，A類驅(qū)動放大級（線性好） 已完成實驗室測試。 高能所高能所2010-8-15NED201024芯片參數(shù)電源 ： + -2.5V，0V；耦合方式： 輸入輸出皆可采用直流或交流耦合（目前為直流耦合）放大倍數(shù)： 102 mV/pC 可根據(jù)需要調(diào)整，最小51mV/pC） 通道間串?dāng)_： 0.05%每通道功耗： 34 mW （可低至約10 mW，根據(jù)驅(qū)動能力大小而定） 驅(qū)動能力 ： 驅(qū)動400歐電阻。輸入動態(tài)范圍：10.8pC輸出動態(tài)范圍：1.1V非線性度： 1% 事例率 ： 70K （堆積幾率3）