用于TPC读出的大存储深度 片内数字化SCA芯片设计

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1 用于TPC读出的大存储深度 片内数字化SCA芯片设计
赵馨远 刘丰 邓智 刘以农 核电子学实验室 清华大学工程物理系

2 目录 背景 SCA芯片研究基础 大存储深度片内数字化SCA芯片设计 未来工作

3 目录 背景 SCA芯片研究基础 大存储深度片内数字化SCA芯片设计 未来工作

4 背景 SCA芯片 TPC读出需求 高密度 读出电子学 波形采样 高位置分辨 ADC 电流信号持续时间差别大 SCA 低功耗 高密度
串行化输出 TPC探测器广泛应用于带电粒子的三围径迹探测，为了提高位置分辨能力，微气体结构探测器往往作为端盖读出探测器，产生具有位置、幅度、时间信息的读出。（探测器分辨率几百微米） TPC读出信号的持续时间和径迹和电极板的夹角有关，持续时间差别较大Ntpc信号脉宽分布在0-500ns （如果采样传统的峰值保持电路，认为峰值信号正比电荷量，会导致测量不准，存在弹道亏损） 波形采样：对波形求面积可消除弹道亏损→高集成度的电子学  AD进行波形采样功耗较大。SCA相比于ADC更以实现多通道集成，低功耗。AD猜到一个模拟值，直接进行数字化，然后进行下一个采样和数字化，对运放或比较器的速度要求较高。 开关电容阵列用于模拟波形采样的优点 • 低功耗：平时处于循环采样状态，先把模拟值存在电容上，来了有效trig时，才将采样值读 出，并经过ADC转换输出（可以用相对较慢慢的ADC），而且多 个通道可以共用一个ADC进行串行化输出，进一步降低整个系统 的功耗。 SCA : Switched Capacitor Array

5 背景 120 cm High Energy Hadronic Physics Neutrinos Astrophysics
HESS (Namibia) 4000 channels (ARS0) HESS-2 : 2000 ch SAM MAGIC: canary (DRS4) ATLAS calo 200,000 channels (HAMAC), CMS,LHCB…CMS trackers:Several millions channels CTA (TARGET5/7) JLAB(USA): calo DVCS (ARS0) Antares (Mediterranean sea) : 1000 channels ARS1 Neutrinos Astrophysics Hadronic Physics Neutrino Beams CLAS12 (JLAB): Micromeagas Tracker: 30,000 channels (DREAM) AMANDA-IceCube (Antarctica) Nuclear Physics 3000 channels (DRS4) Industry Cosmic Ray Radio 120 cm T2K TPC: 120,000 ch (AFTER) Also use fot TPC Test around the world (PANDA/FOPI….) Codalema (France) MATACQ GET electronics for Nuclear physics : several 10,000 ch (AGET): under dvt TOF PET Siemens

6 目录 背景 SCA芯片研究基础 大存储深度片内数字化SCA芯片设计 未来工作

7 SCA芯片研究基础 我们开发了应用于微结构气体探测器的多款芯片。 CASA系列 CASA系列+SCA CASCA

8 CASCA 不能满足大型探测器的需求！ 3.456mm 2.936mm SCA原理图 CASCA芯片
芯片结构：64 cell x 32 channel 动态范围：40fC(1V) 功耗：2.8mW/ch 采样频率：40MSPS 读出频率：15MHz 有效精度：8.6bit 采样深度： 1.2 sample rate 采样深度： 1.2 sample rate 1.6us @40Msps 3.2us @20Msps 不能满足大型探测器的需求！

9 大存储深度片内数字化SCA 具有较快采样速度、较高精度、较少cable接口、小死时间、大存储深度等特点 AB采样模块 采样、存储二级结构
高集成控制逻辑 片内数字化 串行输出 3.576mm 4.960mm 具有100M采样频率，10us采样深度，10bits精度，16通道，数字化串行化输出，且能在一定辐射环境下正常工作的SCA芯片。 该芯片具有100MHz采样频率，10us采样深度，10bits精度，16通道，数字化串行化输出。 芯片整体采样、存储的二级结构完成，采用Wilkinson ADC片内集成实现片内数字化。 芯片由采样模块，存储模块，线性放电ADC模块，数据读出SerDes模块。 芯片结构：16 channel 采样频率：100MSPS 读出频率：200MHz 精度：10bit 采样深度： 10us 死时间：320ns 功耗：4.13mV/ch

10 大存储深度片内数字化SCA AB采样模块 trigger来临时，将当前采样 数值输入大规模存储部分，并用 另一个模块进行采样。
具有100M采样频率，10us采样深度，10bits精度，16通道，数字化串行化输出，且能在一定辐射环境下正常工作的SCA芯片。 该芯片具有100MHz采样频率，10us采样深度，10bits精度，16通道，数字化串行化输出。 芯片整体采样、存储的二级结构完成，采用Wilkinson ADC片内集成实现片内数字化。 芯片由采样模块，存储模块，线性放电ADC模块，数据读出SerDes模块。 Vrms=0.468mV（无瞬态噪声）

11 大存储深度片内数字化SCA 采样、存储二级结构 满足部分大型探测器的需求 采样深度：1024个采样点 50us @20Msps
具有100M采样频率，10us采样深度，10bits精度，16通道，数字化串行化输出，且能在一定辐射环境下正常工作的SCA芯片。 该芯片具有100MHz采样频率，10us采样深度，10bits精度，16通道，数字化串行化输出。 芯片整体采样、存储的二级结构完成，采用Wilkinson ADC片内集成实现片内数字化。 芯片由采样模块，存储模块，线性放电ADC模块，数据读出SerDes模块。 Tcomp表征存储部分输出线性度 采样深度：1024个采样点 20us @50Msps 10us @100Msps 满足部分大型探测器的需求

12 大存储深度片内数字化SCA 高集成控制逻辑 外部控制信号： clk_sample,syn,trigger,rst
clk_AD, move,read 其余所有控制信号均在片内产生 具有100M采样频率，10us采样深度，10bits精度，16通道，数字化串行化输出，且能在一定辐射环境下正常工作的SCA芯片。 该芯片具有100MHz采样频率，10us采样深度，10bits精度，16通道，数字化串行化输出。 芯片整体采样、存储的二级结构完成，采用Wilkinson ADC片内集成实现片内数字化。 芯片由采样模块，存储模块，线性放电ADC模块，数据读出SerDes模块。

13 大存储深度片内数字化SCA 片内数字化 一个通道内集成32个Wilkinson ADC实现片内数字化。 Tcomp
具有100M采样频率，10us采样深度，10bits精度，16通道，数字化串行化输出，且能在一定辐射环境下正常工作的SCA芯片。 该芯片具有100MHz采样频率，10us采样深度，10bits精度，16通道，数字化串行化输出。 芯片整体采样、存储的二级结构完成，采用Wilkinson ADC片内集成实现片内数字化。 Tcomp Tibaldo L, Vandenbroucke J A, Albert A M, et al. TARGET: toward a solution for the readout electronics of the Cherenkov Telescope Array[J]. arXiv preprint arXiv: , 2015.

14 大存储深度片内数字化SCA 串行输出 SerDes模块实现数据并转串，只需4条数据输出cabel。
具有100M采样频率，10us采样深度，10bits精度，16通道，数字化串行化输出，且能在一定辐射环境下正常工作的SCA芯片。 该芯片具有100MHz采样频率，10us采样深度，10bits精度，16通道，数字化串行化输出。 芯片整体采样、存储的二级结构完成，采用Wilkinson ADC片内集成实现片内数字化。 芯片由采样模块，存储模块，线性放电ADC模块，数据读出SerDes模块。

15 目录 背景 SCA芯片研究基础 大存储深度片内数字化SCA芯片设计 未来工作

16 未来工作 10月底流片，2月进行芯片功能测试、性能评估。

17 致谢 自然科学基金 核探测与核电子学国家重点实验室开放基金

18 Thank You!