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1、基于APV25的GEM探測(cè)器讀出電子學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與測(cè)試?yán)钫\(chéng) 劉樹彬 安琪核探測(cè)與核電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代物理系2021-7-23目錄工程背景設(shè)計(jì)方案測(cè)試方案與結(jié)果總結(jié)與展望工程背景SoLID 實(shí)驗(yàn)GEM探測(cè)器GEM探測(cè)器信號(hào)設(shè)計(jì)方案測(cè)試方案與結(jié)果總結(jié)與展望SoLID 實(shí)驗(yàn)SoLID(Solenoidal Large Intensity Device)實(shí)驗(yàn)全方位角探測(cè)器，用于兩個(gè)實(shí)驗(yàn)：Semi-Inclusive Deep-Inelastic Scattering (SIDIS)Parity Violation Deep Inelastic Scattering (PVDIS)

2、徑跡探測(cè)器系統(tǒng)要求位置分辨率高：70um高本底計(jì)數(shù)率：1MHz/cm2大面積：從40*150到80*300cm2GEM探測(cè)器性能位置分辨率：70um電荷重心法本底計(jì)數(shù)率：MHz/mm2面積可擴(kuò)展用GEM探測(cè)器作為徑跡探測(cè)器C.Altunbas et al.NIMA 490(2002) 177GEM探測(cè)器SoLID實(shí)驗(yàn)中的GEM探測(cè)器原型模塊共6層GEM總有效面積：18m2總通道數(shù)目：161k45 cm99.5 cm22 cmSIDISPVDISSoLID Coll.MeetingHall A,Jlab 11/09/2021GEM探測(cè)器信號(hào)增益按照每層放大20倍計(jì)算20*20*20 = 8000

3、讀出條收集電荷量如果原初電離電荷32e，最終生成電子256ke=41fC電子分布=300400um，*6=1.82.4mm讀出條為600um pitch，電子會(huì)分布到34根讀出條上，按照15：35：35：15分布，每個(gè)讀出條電荷量為6fC:14fC:14fC:6fCGEM探測(cè)器信號(hào)漂移時(shí)間雪崩區(qū)：10cm/us3.5keV/cm，時(shí)間10ns漂移區(qū)：9cm/us2.5keV/cm，時(shí)間33ns實(shí)際波形Alfonsi et al.NIM A 518(2004)M.Ziegler, Development of a triple GEM Detector for Particle Tracking

4、,2005, IEEE NSS Conf. RecordVV51前放成形時(shí)間0.5ns工程背景設(shè)計(jì)方案讀出系統(tǒng)架構(gòu)APV25讀出電子學(xué)方案設(shè)計(jì)FPGA邏輯設(shè)計(jì)上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)測(cè)試方案與結(jié)果總結(jié)與展望讀出系統(tǒng)GEM探測(cè)器信號(hào)處理GEM探測(cè)器獲取帶電粒子在每層GEM的擊中位置信息，并通過(guò)電荷測(cè)量電荷重心法提高位置分辨能力讀出電子學(xué)特點(diǎn)高密度讀出高計(jì)數(shù)率設(shè)計(jì)輸入信號(hào)幅度小信號(hào)小于20fC成形時(shí)間信號(hào)上升時(shí)間10ns電荷測(cè)量讀出系統(tǒng)讀出方式傳統(tǒng)模擬尋峰電荷測(cè)量電路電路復(fù)雜、功耗高、集成度低ASIC+ADC降低復(fù)雜度低功耗高集成度用APV25為本設(shè)計(jì)ASIC動(dòng)態(tài)范圍20fC成形時(shí)間50nsNameExp.

5、DetectorChlShaper (ns)NoiseRange (fC)P/ch (mW)Rad hardAPV25CMSSi strip12850270+38e/pF202.7108.1 mm7.1mmpipeline128x192128 x preamp/shaperAPSP + 128:1 MUXpipe logicbias gen.CALFIFOcontrollogicAPV25根本參數(shù)最初由CERN為CMS實(shí)驗(yàn)硅微條探測(cè)器讀出設(shè)計(jì)，0.25us CMOS工藝制造128通道輸入，單通道輸出成形時(shí)間50ns動(dòng)態(tài)范圍20fC功耗低，具有抗輻照能力192電容存儲(chǔ)深度40M時(shí)鐘采樣及讀出特點(diǎn)

6、觸發(fā)與時(shí)鐘同步可選反相器，能夠測(cè)量負(fù)極性信號(hào)內(nèi)部標(biāo)定電路可選APSP(Analogue pulse shape processor)電路，能夠進(jìn)行反卷積運(yùn)算，用于高計(jì)數(shù)率場(chǎng)合APV25讀出電子學(xué)方案背板架構(gòu)具有抗輻照、高集成度特點(diǎn)簡(jiǎn)單易用、適用于小系統(tǒng)GEM FEC 4.0 MPD DAQ75 mm49.5 mmPassive backplane(optional)2D readoutUp to 40mtwisted,shieldedcopper cable(HDMI)tested讀出電子學(xué)方案SRS架構(gòu)可以根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)規(guī)模的增減添加對(duì)應(yīng)的讀出單元模塊用于大型實(shí)驗(yàn)、復(fù)雜本錢高讀出電子學(xué)方案選擇

7、采用背板架構(gòu)背板最多插入8塊APV子板讀出板能夠處理2塊背板APV25前端板APV25前端板APV25采樣wire bonding封裝保護(hù)二極管、供電、背板接頭APV25背板APV25背板Molex接頭與APV25前端板相接IDC連接器與讀出板相接APV25子板控制、讀出、供電讀出板讀出板功能16塊APV25信號(hào)數(shù)字化2048個(gè)GEM讀出通道數(shù)據(jù)預(yù)處理APV25的I2C配置APV25觸發(fā)及時(shí)鐘PCI數(shù)據(jù)傳輸芯片選型前放AD8139將APV25信號(hào)進(jìn)行放大ADC使用8通道12位40M采樣率AD9637FPGA使用CycloneIII系列EP3C80F484FPGA邏輯設(shè)計(jì)FPGA邏輯功能APV2

8、5數(shù)據(jù)處理傳輸APV25狀態(tài)控制觸發(fā)及時(shí)鐘控制讀出板控制多種數(shù)據(jù)處理模式示波器模式幀識(shí)別，數(shù)據(jù)重排模式基線消除模式數(shù)據(jù)格式自定義數(shù)據(jù)格式，方便進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)展上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)特點(diǎn)MFC語(yǔ)言進(jìn)行編寫PCI數(shù)據(jù)讀取功能數(shù)據(jù)讀取指令發(fā)送單指令發(fā)送多指令發(fā)送狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示采樣波形顯示工程背景設(shè)計(jì)方案測(cè)試方案與結(jié)果測(cè)試方案APV25波形測(cè)試電荷測(cè)量噪聲測(cè)試電荷測(cè)量誤差系統(tǒng)評(píng)估總結(jié)與展望測(cè)試方案測(cè)試信號(hào)源內(nèi)部標(biāo)定使用APV25自帶標(biāo)定電路外部標(biāo)定使用實(shí)驗(yàn)室自制電荷板測(cè)試內(nèi)容APV25成形波形測(cè)試APV25存放器配置電荷測(cè)量噪聲測(cè)試系統(tǒng)評(píng)估測(cè)試方案測(cè)試實(shí)物圖參加轉(zhuǎn)接板電荷源信號(hào)需要SMA連接器輸出信號(hào)再通過(guò)柔性板連

9、接到APV25前端板電荷板電荷板APV25需要輸入電荷信號(hào)，使用實(shí)驗(yàn)室電荷發(fā)生板產(chǎn)生電荷信號(hào)通過(guò)USB程控輸出電荷量祁賓祥等.基于USB接口的多通道準(zhǔn)高斯型脈沖信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì).?核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù)?2021年 第10期 1182-1186頁(yè) 共5頁(yè)APV25波形測(cè)試波形采集APV25采樣間隔25ns，成形時(shí)間50nsCMS實(shí)驗(yàn)中信號(hào)與時(shí)鐘同步，調(diào)整時(shí)鐘延遲，準(zhǔn)確采集成形波形峰值L.L.Jones et al, The APV25 Deep Submicron Readout Chip for CMS Detectors, Proc. of the 5th Workshop on Electro

10、nics for LHC Experiments, CERN/LHCC/1999/009, 162-166 APV25波形測(cè)試波形擬合如果信號(hào)隨機(jī)，采樣時(shí)間隨機(jī)性帶來(lái)誤差利用屢次連續(xù)采樣點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)高斯函數(shù)擬合，準(zhǔn)確計(jì)算出峰值內(nèi)部標(biāo)定波形采集使用APV25內(nèi)部標(biāo)定電路，調(diào)節(jié)輸入延遲，拼接采樣點(diǎn)，得到密集采樣點(diǎn)計(jì)算相關(guān)系數(shù)：r1=0.9939r2=0.9661屢次采樣拼接單次采樣波形測(cè)量改變APV25存放器ISHA (Shaper input FET current bias)VFS (Shaper feedback voltage bias)MUXGAIN (Sets gain of multip

11、lexer)影響擬合效果ISHA設(shè)置為80、VFS設(shè)置為60，擬合效果最好改變ISHA改變MUXGAIN不同MUXGAIN下幅值改變VFS波形測(cè)量反卷積模式原理在APSP工作下，連續(xù)采三個(gè)點(diǎn)進(jìn)行不同權(quán)重加權(quán)，相當(dāng)于模擬三階FIR濾波可以25ns達(dá)峰，減少尾堆積用于高計(jì)數(shù)率場(chǎng)合噪聲會(huì)更大、波形更窄改變ISHA改變VFS改變MUXGAIN電荷測(cè)量?jī)?nèi)部標(biāo)定測(cè)量方法改變ICAL存放器，改變輸入電荷量測(cè)量結(jié)果動(dòng)態(tài)范圍約20fC，滿足探測(cè)器需求線性工作區(qū)為13fC擬合幅度100ADC值相當(dāng)于輸入電荷量0.74fC擬合置信度r：0.9995均方根誤差RMSE：0.08線性工作區(qū)之外可以進(jìn)行標(biāo)定電荷測(cè)量外部標(biāo)

12、定測(cè)量方法改變外部電荷板配置，改變輸入電荷量外部電荷源標(biāo)定引入外部噪聲信號(hào)與trigger不同步擬合置信度r：0.9439電荷測(cè)量輸入電荷量無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)算，只能驗(yàn)證線性線性工作區(qū)域比內(nèi)部小噪聲測(cè)試電路噪聲分析測(cè)試方法大量測(cè)試無(wú)信號(hào)輸入，求結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)差測(cè)試結(jié)果接頭噪聲小帶雙層地平面柔性板連接計(jì)算分析不同模塊奉獻(xiàn)噪聲量噪聲源ADC碼噪聲e數(shù)字處理電路1.108354.9APV驅(qū)動(dòng)電路0.13466.7APV模擬處理電路7.0954351.4APV標(biāo)定電路0.13726.8接頭0.197449.8接頭加上轉(zhuǎn)接板0.047542.4SMA引線0.248612.3電荷板0.0221.1APV25噪聲270+

13、38e/pF根據(jù)此公式計(jì)算，APV25輸入電容2.3pFAPV25芯片+讀出系統(tǒng)總噪聲為413eSorin測(cè)得其APV25讀出系統(tǒng)總噪聲356e比他們測(cè)得噪聲略高，可能跟APV板及讀出板有關(guān)，系統(tǒng)噪聲可以進(jìn)一步改進(jìn)提高Sorin Martoiu, First Data with the APV25 Hybrid, 5th RD51 Collaboration MeetingAPV25基線消除APV25基線消除APV25不同通道基線不一致基線消除方法沒有信號(hào)下FPGA屢次采樣求平均值作為待消除基線采樣值減去FPGA存儲(chǔ)的基線消除效果計(jì)算所有128通道基線RMS消除前24.45 ADC碼消除后0.

14、76 ADC碼電荷測(cè)量誤差內(nèi)部標(biāo)定測(cè)量方法在相同標(biāo)定配置下輸入固定信號(hào)，反復(fù)測(cè)量，求標(biāo)準(zhǔn)差電荷測(cè)量相對(duì)誤差0.49%，等效噪聲為312e電荷測(cè)量等效噪聲ENC比采樣點(diǎn)等效噪聲ENC噪聲低外部標(biāo)定測(cè)量方法外部提供相同電荷輸入，反復(fù)測(cè)量，求標(biāo)準(zhǔn)差能量測(cè)量相對(duì)誤差1.0%，等效噪聲624e外部噪聲比內(nèi)部標(biāo)定噪聲大參數(shù)平均值標(biāo)準(zhǔn)差相對(duì)誤差內(nèi)部標(biāo)定幅度1621.76.30.49%外部標(biāo)定幅度1251.712.51.0%擬合算法評(píng)估擬合算法評(píng)估電荷測(cè)量精確無(wú)擬合需要取峰值附近采樣點(diǎn)作為參考值內(nèi)部標(biāo)定，采樣點(diǎn)相對(duì)誤差為0.51%，擬合相對(duì)誤差為0.49%，提高4%外部標(biāo)定，采樣點(diǎn)相對(duì)誤差為1.4%，擬合相對(duì)

15、誤差為1.0%，提高28%求出時(shí)間信息，可進(jìn)行時(shí)間粗測(cè)量?jī)?nèi)部標(biāo)定情況下，時(shí)間t0測(cè)量相對(duì)精度為1.16%，相當(dāng)于362ps參數(shù)平均值標(biāo)準(zhǔn)差相對(duì)誤差內(nèi)部標(biāo)定采樣幅度1559.98.00.51%外部標(biāo)定采樣幅度1237.817.31.4%內(nèi)部標(biāo)定262.41.90.72%外部標(biāo)定391.129.67.6%內(nèi)部標(biāo)定t0328.03.81.16%外部標(biāo)定t0210.835.316.7%系統(tǒng)評(píng)估APV25讀出系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)通道數(shù)目多，集成度高，噪聲低，可擴(kuò)展性強(qiáng)成形時(shí)間短，適合高計(jì)數(shù)率應(yīng)用場(chǎng)合實(shí)測(cè)能量分辨率能到達(dá)1%，用于電荷重心法提高位置分辨精度能夠進(jìn)行粗時(shí)間測(cè)量缺點(diǎn)動(dòng)態(tài)范圍20fC，適應(yīng)于局部GEM探測(cè)器觸發(fā)需要與時(shí)鐘同步，信號(hào)不同步后端數(shù)