CASCA：用于GEM-TPC读出的 开关电容阵列芯片 报告人：章洪燕 清华大学 核电子学实验室
目录 CASCA简介 前端电路CA 开关电容采样电路SCA 后期计划
CASCA: A readout ASIC for GEM detectors 前端放大和成形电路 开关电容阵列 串行读出 Channel No. 128 Dynamic range 0-40 fC Gain 25 mV/fC Shaper CR-RC Peaking time <50 ns Noise <1000 e @ 10pF Sampling freq. 20 MSPS Buffer Latency 3.2 ms Readout freq. 40 MHz Readout resolution 10 bit Power consumption 2mW/ch Process 0.18mm CMOS TID: 20Mrad SEU: LETth>10MeV cm2 mg-1 SEL: LETth> 37MeV cm2 mg-1
前端CA芯片
电路结构 甄别器 电荷灵敏前放 电荷增益 CR-RC成形
功能特性 电路仿真波形，蓝色曲线是模拟输出波形，红色曲线为触发信号输出 实测波形，绿色曲线为模拟输出波形，黄色曲线是触发信号输出，红色曲线为输入测试信号
增益及线性分析 增益及线性仿真结果 增益及线性实测结果
噪声分析 噪声性能仿真结果 噪声性能实测结果
CA芯片小结 ASIC测试性能指标 参数 指标 通道数目 32 增益 23mV/fC ENC（输入电容10pF） 1063e 积分非线性 增益 23mV/fC ENC（输入电容10pF） 1063e 积分非线性 <1% 功耗 3mW/ch
开关电容采样电路（SCA）
电路结构 SCA W/R Control MUX Readout Control WR<0:63> RD<0:63> SWR SRD AMPRST CHSel CSelOut Ain SCA W/R Control MUX Readout Control WR<0:63> RD<0:63>
控制信号 WRCL时序图 多块芯片读出RDCL时序图
测试装置 FPGA开发板，电平转换小板，SCA测试电路板 SCA测试电路板 SCA测试系统
初步测试结果之WR编码输出 WR编码输出@50M：蓝线为WR<4>,绿线为WR<2>，粉线为WR<0> WR<0> ：在约第7.5个200ns的时候，出现两个低电平，原因在于：前面变化了64次，产生了一个stop信号；然后再产生一个start信号，中间有一个Twclk的死时间。这种情况是在第一个start与stop之间没有有效的trig。 可以看到：此处wr<0>隔20ns变化一次，也即可以实现50M的采样率。 WR编码输出@50M：蓝线为WR<4>,绿线为WR<2>，粉线为WR<0>
初步测试结果之模拟输出 蓝线为SRD输出，黄线为模拟输出@Vin=1.7V
初步测试结果之正弦输出 绿线为正弦输入(1.3-1.7V，400KHz)，蓝线为SRD输出，黄线为正弦输出 该测试条件：写25M，读出12.5M 绿线为正弦输入(1.3-1.7V，400KHz)，蓝线为SRD输出，黄线为正弦输出
初步测试结果之线性和噪声分析 mean: -0.6574V std: 0.0170V 1/0.017=58.8 则bit数约为6bit 目前的测试板有很多地方需要改善 MAX INL=-4.87% mean: -0.6574V std: 0.0170V
后期计划 1、针对当前SCA芯片改进测试电路板和测试环境，更好地测试其性能。 2、将独立的CA与SCA芯片，连接起来进行性能测试，后期与探测器联调。 3、设计32通道的CASCA芯片以及更后期的128通道CASCA芯片。
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