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1、基于APV25的GEM探測器讀出電子學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與測試?yán)钫\ 劉樹彬 安琪核探測與核電子學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 中國科學(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探測器GEM探測器信號設(shè)計(jì)方案測試方案與結(jié)果總結(jié)與展望SoLID 實(shí)驗(yàn)SoLID(Solenoidal Large Intensity Device)實(shí)驗(yàn)全方位角探測器，用于兩個實(shí)驗(yàn)：Semi-Inclusive Deep-Inelastic Scattering (SIDIS)Parity Violation Deep Inelastic Scattering (PVDIS)

2、徑跡探測器系統(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探測器作為徑跡探測器C.Altunbas et al.NIMA 490(2002) 177GEM探測器SoLID實(shí)驗(yàn)中的GEM探測器原型模塊共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探測器信號增益按照每層放大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，電子會分布到34根讀出條上，按照15：35：35：15分布，每個讀出條電荷量為6fC:14fC:14fC:6fCGEM探測器信號漂移時間雪崩區(qū)：10cm/us3.5keV/cm，時間10ns漂移區(qū)：9cm/us2.5keV/cm，時間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)測試方案與結(jié)果總結(jié)與展望讀出系統(tǒng)GEM探測器信號處理GEM探測器獲取帶電粒子在每層GEM的擊中位置信息，并通過電荷測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)輸入信號幅度小信號小于20fC成形時間信號上升時間10ns電荷測量讀出系統(tǒng)讀出方式傳統(tǒng)模擬尋峰電荷測量電路電路復(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動態(tài)范圍20fC成形時間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，單通道輸出成形時間50ns動態(tài)范圍20fC功耗低，具有抗輻照能力192電容存儲深度40M時鐘采樣及讀出特點(diǎn)

6、觸發(fā)與時鐘同步可選反相器，能夠測量負(fù)極性信號內(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信號數(shù)字化2048個GEM讀出通道數(shù)據(jù)預(yù)處理APV25的I2C配置APV25觸發(fā)及時鐘PCI數(shù)據(jù)傳輸芯片選型前放AD8139將APV25信號進(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)時顯示采樣波形顯示工程背景設(shè)計(jì)方案測試方案與結(jié)果測試方案APV25波形測試電荷測量噪聲測試電荷測量誤差系統(tǒng)評估總結(jié)與展望測試方案測試信號源內(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)室自制電荷板測試內(nèi)容APV25成形波形測試APV25存放器配置電荷測量噪聲測試系統(tǒng)評估測試方案測試實(shí)物圖參加轉(zhuǎn)接板電荷源信號需要SMA連接器輸出信號再通過柔性板連

9、接到APV25前端板電荷板電荷板APV25需要輸入電荷信號，使用實(shí)驗(yàn)室電荷發(fā)生板產(chǎn)生電荷信號通過USB程控輸出電荷量祁賓祥等.基于USB接口的多通道準(zhǔn)高斯型脈沖信號發(fā)生器設(shè)計(jì).?核電子學(xué)與探測技術(shù)?2021年 第10期 1182-1186頁 共5頁APV25波形測試波形采集APV25采樣間隔25ns，成形時間50nsCMS實(shí)驗(yàn)中信號與時鐘同步，調(diào)整時鐘延遲，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波形測試波形擬合如果信號隨機(jī)，采樣時間隨機(jī)性帶來誤差利用屢次連續(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波形測量反卷積模式原理在APSP工作下，連續(xù)采三個點(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)率場合噪聲會更大、波形更窄改變ISHA改變VFS改變MUXGAIN電荷測量內(nèi)部標(biāo)定測量方法改變ICAL存放器，改變輸入電荷量測量結(jié)果動態(tài)范圍約20fC，滿足探測器需求線性工作區(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)定電荷測量外部標(biāo)

12、定測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與trigger不同步擬合置信度r：0.9439電荷測量輸入電荷量無法準(zhǔn)確計(jì)算，只能驗(yàn)證線性線性工作區(qū)域比內(nèi)部小噪聲測試電路噪聲分析測試方法大量測試無信號輸入，求結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)差測試結(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測得其APV25讀出系統(tǒng)總噪聲356e比他們測得噪聲略高，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碼電荷測量誤差內(nèi)部標(biāo)定測量方法在相同標(biāo)定配置下輸入固定信號，反復(fù)測量，求標(biāo)準(zhǔn)差電荷測量相對誤差0.49%，等效噪聲為312e電荷測量等效噪聲ENC比采樣點(diǎn)等效噪聲ENC噪聲低外部標(biāo)定測量方法外部提供相同電荷輸入，反復(fù)測量，求標(biāo)準(zhǔn)差能量測量相對誤差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%擬合算法評估擬合算法評估電荷測量精確無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)相對誤差為0.51%，擬合相對誤差為0.49%，提高4%外部標(biāo)定，采樣點(diǎn)相對誤差為1.4%，擬合相對

15、誤差為1.0%，提高28%求出時間信息，可進(jìn)行時間粗測量內(nèi)部標(biāo)定情況下，時間t0測量相對精度為1.16%，相當(dāng)于362ps參數(shù)平均值標(biāo)準(zhǔn)差相對誤差內(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)成形時間短，適合高計(jì)數(shù)率應(yīng)用場合實(shí)測能量分辨率能到達(dá)1%，用于電荷重心法提高位置分辨精度能夠進(jìn)行粗時間測量缺點(diǎn)動態(tài)范圍20fC，適應(yīng)于局部GEM探測器觸發(fā)需要與時鐘同步，信號不同步后端數(shù)