用于MICROMEGAS的二维前端读出芯片研究进展 王娜 电子学二组 2013-05-29 实验物理中心 Experiment Physics Center

主要内容 MICROMEGAS探测器 MICROMEGAS探测器读出电子学方案 国内外同类读出芯片比较 读出芯片LQTC1.0 工作计划 芯片结构 芯片设计 芯片仿真结果 芯片总结 工作计划

MICROMIGAS探测器 MICROMIGAS探测器计数率、位置分辨率要求高 二维读出：X，Y方向的维数分别为nx，ny，以nx=ny=100为例，读出电子学将达到10000路。 需要集成度高的低噪声前端读出ASIC电路 主要参量 单读出条电容 40pF 单读出条电荷量 5-120fC 噪声 <2000e- 线性 修正后<1% 读出通道数 多通道读出

MICROMIGAS探测器读出电子学方案 核心功能：电荷-时间转换（QTC）电路 特点：时间和电荷信息同时测量 TOT（Time over Threshold）方法：测量输出脉冲的时间信息，换算得到入射粒子的电荷量，进而得到入射粒子的能量 功能模块：带线性放电结构的前放，甄别器，阈值调节DAC，LVDS输出驱动，TDC电路 探测方法：脉冲的前沿代表信号的到达时刻，脉冲的宽度代表电荷量

国内外同类读出芯片 芯片名称 实验 探测器种类 通道数 成形时间(ns) 噪声 动态范围 (fC) 功耗 mW/ch 抗辐射（Mrad） 采用工艺 （um） APV25 CMS Si strip 128 50 246e-+36e-/pF 20 2.7 10 0.25 CARIOCA LHCb MWPC 8 25 450e-+37.4e-/pF 250 12 1 ToPix PANDA Si pixel 128*4 32*4 104e-(640 pixel cells) 15uW/pix 0.13 CASA GEM strip 16 25-100 60.8e-+28.2e-/pF（25ns） 1500 8.9 0.35 GEMROC BSRF 40-640 <2000e-@40pF 200 15 LQTC1.0 MICROMEGAS,strip 1026e-+27.5e-/pF SEU

APV25结构 128通道 低噪声电荷灵敏前放、成形

CARIOCA结构 Current-mode Amplifier 低噪声

ToPix结构

LQTC1.0芯片结构 特点 电荷灵敏前放做输入级，低噪声,适于小信号输入 线性放电级无需外加控制，自动放电 模拟和数字输出，同时获得电荷量和时间信息 数字输出信号直接由FPGA处理 片内集成DAC调节阈值 单通道结构：电荷灵敏前放，线性放电级，甄别器，DAC设置阈值

LQTC1.0芯片设计 低噪声，大动态范围 输出电流被放大KI倍 输出电流形状改变：以 为时间常数到稳态，总电荷量不变 输入级：电荷灵敏前放 tR时间内， 输出电流 电流增益 低噪声，大动态范围 输出电流被放大KI倍 输出电流形状改变：以 为时间常数到稳态，总电荷量不变 Ci = Cd + Cs + Ca

LQTC1.0芯片设计 关键结构：线性放电级 实现电荷-时间的转换 TOT：线性放电型 特点：结构和计算方法相对简单 Idis为恒流电流源 Qinj Vth

芯片内集成8-bit DAC 数字调节甄别器阈值 输出范围：0.3V - 1.65V INL：＜±0.2LSB DNL：＜±0.2LSB LQTC1.0芯片设计 芯片内集成8-bit DAC 数字调节甄别器阈值 输出范围：0.3V - 1.65V INL：＜±0.2LSB DNL：＜±0.2LSB

LQTC1.0芯片设计 抗辐照设计：Dice latch和三模冗余 DICE：双互锁单元技术，适用于抗单 粒子翻转的存储单元。 抗单粒子翻转（SEU）：SEU发生任何一个结点只会使相邻的一个结点跟随其发生翻转，而不会影响另外 2个结点存储的数据。 三模冗余技术：时序电路加固技术 对待加固模块生成２个相同的模块 通过多数表决电路输出 有一个模块受辐射影响，电路依然可以正常工作

芯片仿真结果—输出波形 5fC-120fC Vth 27.714ns/fC 前沿t1：代表信号到达时刻 时间宽度 输入电荷量

芯片仿真结果--输出波形 大的动态范围 2-200fC，线性需要修正 2fC-200fC 阈值

芯片仿真结果--噪声性能 噪声性能：@Cdet=40pF≈2000e- 零电容噪声：1026.3e- 噪声斜率：27.494e- 3-123fC 阈值：1.4fC INL<5.6%

芯片仿真结果-线性性能 线性度：INL<3%，5-120fC动态范围

芯片仿真结果--时间特性 时间游动 时间晃动 阈值0.8fC 动态范围，5-120fC 输入范围5-120fC 阈值0.8fC

芯片总结 芯片性能 最大输入动态范围 2-200fC 噪声 ≈2000e-（@40pF） 线性 INL<3%（修正前，5-120fC） 时间游动 50-25ns（修正前） 时间晃动 5ns（5-120fC输入范围） 通道数 16 功耗 <12mW/ch

谢谢！ 工作计划 用于MICROMEGAS的LQTC芯片时间表： 第一版，16通道，时间和电荷的同时测量，2013年1月，已流片 第二版，16通道，改进了线性和噪声的问题，2013年5月已流片 第三版，32通道，参数优化，定型，计划2013年年底流片 谢谢！