多通道SIPM读出ASIC的测试 中国科学院高能物理研究所 粒子天体中心 作者：龚轲 报告人：暴子瑜 2018-10-16

简介 硅光电倍增管(SiPM)是近些年逐渐成熟的一种新型的光电转换器件，经常与光电倍增管(PMT)进行比较。相较于传统的光电倍增管，它具有成本便宜、尺寸小、工作电压低、探测效率高、对磁场不敏感、单光子探测效率高等优点。在实际使用中，非常适合在未来的大型项目中替代光电倍增管作为新一代的光电探测器。 该报告源于引力波暴高能电磁对应体全天检测器(GECAM) 的预先研究，主要内容是对OMEGA实验室生产的SiPM读出ASIC，CITIROC的基本参数进行了初步的测试，并连接了不同尺寸的SIPM，进行了单光子的测试。 在今年十月底OMEGA公司会拿这款ASIC去做束流实验，测试总剂量、LET及SEU等各项可靠性试验。

Citiroc的基本结构 Citiroc是一款用于读出32通道SiPM信号的前放ASIC。 该ASIC的触发阈值低至1/3个pe，具有良好的电荷分辨性能。 与此同时，这款ASIC针对每一个通道生成触发时间信号，具有良好的时间分辨率。 该ASIC连接的SiPM的高压可以通过片内集成的DAC进行调节。 CITIROC基本参数 工艺 （AMS）SiGe 0.35um 尺寸 4.1mm*4.1mm 工作电压 4.5V/0V 功耗 2mW/通道 输入 带有SIPM偏压高压调节的32通道信号输入   输出 32路触发输出 1路触发符合输出 1路串行电荷输出 内部主要可配置参数 32路高压调节 32*8bits 触发阈值调节 增益调节 触发符合调节 输出使能 封装 TQFP160 CITIROC基本参数

Citiroc内部结构 内部结构如图所示。 该ASIC具有32通道，每一通道都有相应的8-bitDAC，通过配置寄存器的方式，实现高压偏压的调节。 随后是high gain 和low gain的两档的前放电路，接着是是慢成形和峰保电路，最后通过多路选通实现多通道串行读出。 另外还有一个固定时间常数为15ns的快成形用于触发。

SIPM偏压调节功能 左图是sipm的高压两种不同的连接方式，右图是DAC实际输出的抖动。 由于SiPM的增益和暗计数与温度相关，因此在温度变化的环境下使用SiPM时，需要对每一路的SiPM进行HV补偿。 CITIROC内部具有32路SiPM偏压调节DAC，对于32路输入信号来说，每一路信号都可以进行0~4.5V的偏压调节，LSB越为17mV

Citiroc前放电路 可以看到在ASIC内部同时存在高增益前放和低增益前放，通过反馈电容的调节可以调节高低前放的增益。因此通过适当的增益控制，可以大幅的拓展动态范围。 在前放电路之后，连接了高低增益慢成形电路和一个快成形电路。慢成形电路为CRRC，通过调节慢成形电路的电容值，可以在12.5ns-87.5ns的范围内调节成形时间。快成形信号的成形时间固定为15ns。 上图是高增益和低增益两档前放，高低增益前放的反馈电容都是0.1pF-1.5pF 6bit可调，不同的是高增益档的注入电容为15pF，低增益档的注入电容为1.5pF。所以实际的电压增益为注入电容/反馈电容 下图是(12.5ns~87.5ns)达峰时间可调的CRRC慢成形电路.

CITIROC模拟信号峰值保持 经过前放成形后的信号，需要适当的峰保电路将前放成形后的信号进行保持。 峰保信号由外部产生，高低增益分别有两个不同的峰保信号holdb_HG和holdb_LG。 经过峰保后，模拟信号会存储在low gain SCA 和 high gain SCA 中。 通过该ASIC内部的DAC，可以设置两个甄别阈值，一个用于判断事例，一个用于给出时间甄别 左图是直接触发模式下的示意图，快成形信号超过甄别阈值之后，由内部甄别电路直接给出触发信号。

芯片基本性能测试 为了实现芯片性能的测量，设计了简单的测试电路，使用ALTERA公司生产的 FPGA CYCLONEIII控制ASIC的时序，使用TI公司生产的AD9220 40MHZ高速ADC采集CITIROC输出的串行模拟信号，使用FT245RL USB2.0控制芯片与上位机的LabView程序进行交互。 为了便于比较，该试验中将高增益的反馈电容设置为8*25pF，即75倍增益，其线性的动态范围约为~100pe，低增益的反馈电容设置为8*25pF,设置为7.5倍增益，估计其动态范围可以达到~2000pe。设置固定的成形时间为62.5ns。

能量分辨率的测试 使用脉冲信号发生器，对ASIC的单一通道注入约为200fc的电荷，连续采集1000次,结果见下图。 通过对高低增益通道数据的能谱高斯拟合，可以得到高增益通道的Sigma为1.786，低增益通道的sigma为 1.535。 高增益通道histogram（hits vs ADC ) 低增益通道histogram（hits vs ADC ）

线性度的测试 使用电荷注入的方式，可以对ASIC的线性进行测量。为了使注入的电荷覆盖高低增益的全部动态范围，对高增益通道注入0.12pC-15pC（1-125pe），对低增益通道注入6pC-300pC（50-2500pe）。每一点进行5000次测试。得到结果如图所示。可以看到，在高增益处于11.4pC（95pe）达到饱和，在低增益处250pC(2100pe)处达到饱和，在该动态范围内线性度(非线性误差)<1%。

触发线性和触发效率的测试 为了测试触发系统的线性和触发效率，在高增益端注入电荷为200fc至3000fc。通过在不同电荷注入情况下触发阈值的调节，可以得到触发效率VS触发阈值的曲线，即S-curve。选取50%触发效率处的触发阈值作为该注入电荷所对应的触发阈值，在（0-2000fc）区间内，触发线性低于1%，在3000fc处达到饱和。

单光子测试 使用滨松的 S12825-050P MPPC进行单光子的测试 蓝色的线为暗计数的脉冲幅度谱，阈值在0.5p.e.，可以清晰的看到单光子，多光子等。 红色的线为未触发通道的基线。 最后，我使用滨松的 S12825-050P MPPC进行了单光子的测试，结果如下图。

谢谢 由于工作冲突，本人没有办法到现场进行报告，十分抱歉。 感谢暴子瑜代替我做这个报告。 对PPT内容有任何疑问，请联系 龚轲 邮箱：gongk@ihep.ac.cn