基于成形和模数变换的电荷测量前端模拟ASIC设计 刘建峰 2019/1/11 核探测与核电子学国家重点实验室

主要内容 项目背景介绍 系统设计路线 芯片整体设计方案 方案实现与仿真结果 总结 2019/1/11 中国科学技术大学 快电子学实验室

大型高海拔空气簇射观测站 (LHAASO) Large High Altitude Air Shower Observatory 主要探测广延大气簇射产生的次级粒子 科学目标： 高能宇宙线起源以及相关宇宙演化、高能天体演化及暗物质研究 主要实验装置 WCDA(9万平方米) KM2A探测器(1km2) μ子探测器 电子探测器 大气切伦科夫望远镜 空气簇射芯探测器阵列 2019/1/11 中国科学技术大学 快电子学实验室

LHAASO中的水切伦柯夫探测器阵列 Water Cherenkov Detector Array (WCDA) 共4个面积为150 x 150 m2的水池 水池注满纯水，水池底部安装900个光电倍增管 共3600路高灵敏度光电倍增管读出 优点：全天候观测、大视场、低阈能、高角分辨 2019/1/11 中国科学技术大学 快电子学实验室

WCDA前端读出电路设计需求 设计需求 设计指标 时间测量分辨率 1 ns 时间测量RMS 好于±0.5 ns 时间测量动态范围 2 us 两次击中最小时间间隔 100ns 电荷测量动态范围 范围：1-4000个光电子 D10电压：2.4 mV-9.6 V Anode电压：3 mV-12 V 芯片测量范围 D10电压：96 mV-9.6 V Anode电压：3 mV-300 mV 电荷测量精度 单光子：30% 4000光电子：3% 触发数据读出窗口 事例率 ~ 50 kHz LHAASO中WCDA3600路 PMT 读出 2019/1/11 中国科学技术大学 快电子学实验室

PMT阳极输出信号特点 PMT输出信号，前沿4.6 ns，后沿16 ns PMT输出信号经30 m电缆后，前沿5.3 ns，后沿21 ns 时域波形 频域分析 左图红线为PMT波形，前沿4 ns，后沿10 ns，左图蓝线为前后沿对应的三角波，右图 为频谱，QTC电路带宽在200 M以下，则三角波可以近似PMT的仿真结果 这里三角波的前沿取值为5 ns，后沿为12.5 ns。从频谱看在200M带宽以内，输入PMT信号与该三角波很接近，而且PMT信号主要能量集中在200M以下。因此在对QTC电路做仿真分析时，采用三角波作为输入激励近似代替PMT波形。 PMT输出信号，前沿4.6 ns，后沿16 ns PMT输出信号经30 m电缆后，前沿5.3 ns，后沿21 ns PMT输出信号主要频率成分集中在200 MHz以下 2019/1/11 中国科学技术大学 快电子学实验室

设计要求分析与技术路线考虑 设计要求分析 高精度阻抗匹配（纯电阻+电压buffer） 大动态范围（1 – 4000 PE） 基于TOT技术的方法（QTC+TDC） 成形展宽型QTC方法（SFE16） 前端采用电压处理的充放电型QTC方法（CLC101） 全电流处理的充放电型QTC方法（TIMPIC-II） 基于QAC（电荷电压转换）+ADC的方法 模拟峰值保持+峰值数字化（PARISROC） 滤波成形+数字寻峰（PASA） SFE16：应用于micromegas探测器，测量范围几个fC到100 fC，SFE16是E.Delagnes等为CERN的COMPASS实验中的大型Micromegas探测器读出而设计的电荷测量芯片。它采用的工艺为AMS BiCMOS 0.8 μm，供电电压为±2.5V，单片集成16通道。 CLC101：CLC101芯片是IWATSU为日本超级神冈（Super-Kamiokande）探测器设计的高速电荷时间转换芯片 TIMPIC-II：应用于SSPM探测器，测量范围10 pC到1000 pC，PMT，动态范围0.2—2500 PE PARISROC：应用于PM2 project，AMS SiGe 0.35 umtechnology，PMT 信号读出，集成16通道 PASA：为ALICE实验的TPC（Time Projection Chamber）设计的PASA（PreAmplifier Shaping Amplifier）芯片就是这种仅包含电荷灵敏前放、成形滤波及主放大器的芯片。 滤波成形+数字寻峰的结构简单，并且电荷测量精度也比较好 片内模拟电路 片外ADC+FPGA 2019/1/11 中国科学技术大学 快电子学实验室

系统设计路线 PASC V1(Pre-Amplifier and Shaping Circuit Version 1) 传统的电荷测量方法，基于成形和模数变换的电荷测量，前端模拟ASIC设计（成形电路使用ASIC实现） 电荷测量：滤波成形 + ADC采样+FPGA数字寻峰 时间测量：前沿定时 + FPGA TDC 片内 片外 2019/1/11 中国科学技术大学 快电子学实验室

芯片整体设计方案 PASC V1 共5个通道： 3 个 Anode channel 2个D10 channel 2019/1/11 中国科学技术大学 快电子学实验室

阻抗匹配精度计算 影响因素 电缆衰减（0.77） 过压保护电路（二极管） ¼ PE 4000 PE 二极管I-V曲线（MAJ147）   ¼ PE 光电倍增管的信号通过长电缆引出水面 根据系统设计需求，设计难点在于1-4000倍内5%电荷测量精度，并且同时需要考虑 长距离输入信号的匹配问题 电缆衰减：第一次反射信号相对输入信号多衰减2次，第二次反射信号相对输入信号多衰减4次 过压保护电路：在二极管导通时，相当于50欧姆和过压保护电阻并联，所以过压保护电阻的阻值影响阻抗匹配的精度 PMT输出4000 PE时，信号幅度不超过5 V 4000 PE 二极管I-V曲线（MAJ147） 第二次反射大小随输入幅度变化曲线 2019/1/11 中国科学技术大学 快电子学实验室

滤波成形结构分析 前放类型选择 积分型放大器 电流灵敏放大器√ 高精度的阻抗匹配 需要同时完成较高精度的前沿定时甄别 2019/1/11     考虑到水密和电路稳定性，系统设计时没有使用前置放大器 前端放大器按照前置放大器的分类来说使用了电流灵敏放大器（即电压—电压型放大器） 前放选择电流灵敏放大器的原因： 1）高精度的阻抗匹配，要求FEE输入端具有高输入阻抗（PMT输出端为高阻，始端全反射，为保证终端第二次反射不会误触发，终端理论上需要做到1.81%的阻抗匹配精度，采用冷阻很难实现），电流灵敏放大器具有高输入阻抗，电荷灵敏放大器由于具有较大的容抗，比较难做到高精度的阻抗匹配； 2）需要同时完成较高精度的前沿定时甄别，电流灵敏放大器输出信号的前沿较快，因而定时比较准确；       2019/1/11 中国科学技术大学 快电子学实验室

滤波成形结构分析 滤波器结构 有源滤波器 无源滤波器 有源滤波器 优点：成形后峰值比较对称 缺点：可能会不稳定、增益不容易调节 有源滤波成形电路 1、电路结构：选择无源滤波器原因,为保证输ADC采样的幅度足够大，2级有源滤波器输出后需要加入一级增益级来放大输出幅度，噪声相对高一些(最后一级没有滤波) 2、关键节点波形，表征RC滤波电路的实现 无源滤波器 优点：结构简单，增益可通过隔离级调节 缺点：成形后波形不如有源滤波器对称 无源阻容滤波成形电路 2019/1/11 中国科学技术大学 快电子学实验室

滤波成形结构分析 各级RC成形后波形 各级RC成形输入输出波形 2019/1/11 中国科学技术大学 快电子学实验室     1、电路结构：选择无源滤波器原因 2、关键节点波形，表征RC滤波电路的实现 为保证恢复时间较短，电荷测量死时间较短，tau值取值较小，tau值和信号的宽度tw比较接近，几十ns和20 ns左右 信噪比随tau值增加而减小（信号输出峰值随tau值增加而减小，噪声随tau值增加而减小） 恢复时间随tau值增加而增加 ADC寻峰量化误差随tau值增加而减小 反射对峰值的影响是前一个大信号的反射成形后对紧邻的后一个小信号成形波形的影响 各级RC成形后波形 各级RC成形输入输出波形 2019/1/11 中国科学技术大学 快电子学实验室

前沿定时甄别电路 参考QMC V3结构 根据测试结果调整通道增益 增加一级电压buffer（×3.5） 补偿过压保护滤波的幅度衰减 1、电路结构：选择无源滤波器原因 2、关键节点波形，表征RC滤波电路的实现 增加一级电压buffer（×3.5） 补偿过压保护滤波的幅度衰减 补偿30 m电缆的幅度衰减 2019/1/11 中国科学技术大学 快电子学实验室

PASC V1 Layout Layout of one channel（anode channel） 时间甄别电路 滤波成形电路 T Q 2019/1/11 中国科学技术大学 快电子学实验室

PASC V1 Layout Layout of chip 公共电流基准 电荷和时间测量电路 阈值配置和控制模块 GF 0.35 um 2P4M 工艺 2019/1/11 中国科学技术大学 快电子学实验室

Anode电荷测量仿真结果 积分非线性(INL) 输入输出转换曲线 电荷测量精度（噪声） 电荷测量精度（噪声和温漂） 2019/1/11 PE—peak转换曲线 INL Precision ADC 寻峰误差 电荷测量精度（噪声） 电荷测量精度（噪声和温漂） 2019/1/11 中国科学技术大学 快电子学实验室

D10电荷测量仿真结果 积分非线性(INL) 输入输出转换曲线 电荷测量精度（噪声） 电荷测量精度（噪声和温漂） 2019/1/11 PE—peak转换曲线 INL Precision ADC 寻峰误差 电荷测量精度（噪声） 电荷测量精度（噪声和温漂） 2019/1/11 中国科学技术大学 快电子学实验室

前沿定时甄别仿真结果 noise Time walk Timing jitter 2019/1/11 中国科学技术大学 快电子学实验室 Timing jitter：noise 精度好于200 ps，考虑温漂 Time walk：13 ns Timing jitter：200 ps （仅考虑噪声时），温漂在200多ps，可以修正 Time walk Timing jitter 2019/1/11 中国科学技术大学 快电子学实验室

总结 实现了基于成形和模数变换的电荷测量的前端模拟ASIC电路设计 芯片集成5个通道，可以完成3个PMT Anode信号读出和2个PMT Dynode 10信号读出 PASC V1和QMC V4一起于2013.9.16完成投片 阻抗匹配精度：1.81% 选择电流灵敏前放原因：阻抗匹配要求，前沿定时要求 无源滤波器： 前沿定时电路增益调整 2019/1/11 中国科学技术大学 快电子学实验室

谢谢！ 2019/1/11 中国科学技术大学 快电子学实验室