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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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 赵馨远:denniso@163.com 刘丰:liufengthu@163.com

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

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

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

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 MEG @PSI 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

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

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

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 us @50M sample rate 采样深度: 1.2 us @50M sample rate 1.6us @40Msps 3.2us @20Msps 最大死时间:154us@15MHz 不能满足大型探测器的需求!

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

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)

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 50us @20Msps 20us @50Msps 10us @100Msps 满足部分大型探测器的需求

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。

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:1508.06296, 2015.

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。

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

未来工作 10月底流片,2月进行芯片功能测试、性能评估。

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

Thank You!